Происхождение материалов для терраформирования.

Вы упомянули получение вещей из пояса астероидов. Может есть более простой способ. Поскольку вы можете быстро перемещать груз (0,1с), вы можете позволить себе получить груз издалека. Астероиды, как правило, скалистые, возможно, с небольшим количеством льда на вершине. Спутники Сатурна, как правило, покрыты льдом с некоторыми камнями посередине.

Есть много спутников Сатурна (и спутники Урана и Нептуна, вероятно, также являются хорошими целями). В совокупности у них гораздо больше аммиака и воды, чем вы могли бы использовать для терраформирования планеты. Так почему бы просто не вывести несколько малых и средних спутников газового гиганта на орбиту вокруг своей планеты и подготовить их к отправке вниз?

Переработка

Что не упомянуто, так это необходимость доработки материалов. Если вы хотите, чтобы в течение нескольких десятилетий к вашей луне добавились нужные элементы, вам нужно быть осторожным с тем, что вы добавляете. Как и в любом хорошем кулинарном творении, вы должны тщательно взвешивать ингредиенты.

Ваши ингредиенты - это кусочки и/или целые луны. Так как же их измерить? Вы должны расплавить их. Вы можете использовать фракционную перегонку, чтобы расплавить различные соединения. Если медленно приготовить (нагреть) комету, сначала расплавится весь угарный газ (68 К), затем метан (~91 К), аммиак (195 К), углекислый газ (217 К) и, наконец, вода (273 К). Все эти температуры довольно далеки друг от друга, поэтому просто медленно расплавьте ледяной шар, а затем отделяйте твердые частицы от жидкости на каждом этапе.

Теперь у вас есть набор жидких или слякотных шаров в космосе. Если бы вы были умны, вы бы сделали это вдали от солнца, чтобы угарный газ и метан замерзли для вас перед транспортировкой. Теперь у вас есть куча ледяных шаров из достаточно чистых соединений, готовых врезаться в вашу планету!

Список рецептов

В комментариях вы говорите, что хотите растение с радиусом и массой около 0,75 земного; и 0,7 земного притяжения. Это не работает в точности, но если взять некоторые числа, которые более или менее соответствуют всем требованиям, давайте предположим, что радиус вашей Луны равен 0,9 земного, плотность 0,8 земного, чтобы получить гравитацию на поверхности 0,72 земного. Масса оказывается равной 0,58 земной.

Поскольку площадь поверхности пропорциональна радиусу в квадрате, нам понадобится около 80% земной атмосферы, океанов и биологических веществ. Для атмосферы потребуется 20% кислорода и 80% инертного газа; азот является наиболее распространенным инертным газом и должен хорошо работать. Требования к нашей Луне будут$3.3\times10^{18}$кг азота и$2.1\times10^{17}$кг кислорода. Океану понадобится$1.1\times0^{21}$кг воды (хотя это может варьироваться в широких пределах, в зависимости от того, насколько влажной вы хотите планету). Наконец, биосфере потребуется как минимум$1\times10^{12}$кг углерода.

Чтобы обеспечить эти ингредиенты, мы можем добавить в первую очередь три соединения. Аммиак можно использовать для получения атмосферного азота; Углекислый газ может быть преобразован в атмосферный кислород; а вода это просто вода. При соотношении двух аммиаков на один двухатомный азот и одного диоксида углерода на двухатомный кислород наш список покупок примерно такой:

• $1\times10^{21}$кг воды
• $4\times10^{18}$кг аммиака
• $2\times10^{17}$кг углекислого газа

Самое замечательное в этих ингредиентах то, что они являются тремя наиболее распространенными соединениями во внешней Солнечной системе. Они также обеспечивают много избыточного материала для создания биосферы: углекислый газ содержит дополнительный углерод, а аммиак — дополнительный водород. Нет необходимости добавлять метан, есть много ископаемого топлива!

Как не сделать беспорядок

Следующая задача — не устраивать слишком большой беспорядок при доставке материалов. Вот различные факторы, которые вы обрисовали в общих чертах.

Как не сильно повредить поверхность Луны

Без атмосферы ваша луна, скорее всего, будет иметь поверхность, покрытую мелким реголитом, подобным тому, что покрывает Луну и Марс . Если эта поверхность подвергнется ударам из космоса, пыль в основном осядет обратно на поверхность. Таким образом, с этой точки зрения не так уж много вреда нанесено ударами по планете космическими снежками; отверстия будут заполнены пылью (относительно) вскоре после удара. Лунный реголит имеет плотность около 2/3 камней лунной поверхности (и земных камней), поэтому отверстия будут заполнены материалом, который будет достаточно твердым.

Приближение глубины Ньютона для ударов равно

$$D\approx L\frac{\rho_i}{\rho_p}$$ где L - длина (или диаметр, если сферический) снаряда и $\rho_i$а также $\rho_p$- плотности ударника и планеты соответственно. Обратите внимание, что это приближение нигде не включает скорость ударника. Предположим, что планета имеет такую ​​же плотность земной коры, как и Земля (2500 кг/м3). $^3$), в то время как доставленные летучие вещества, такие как CO $_2$, вода и аммиак имеют плотность менее 1000 кг/м3. $^3$.

Предполагая, что мы хотим ограничить глубину удара до 200 м, чтобы не создавать слишком больших кратеров, мы можем выбрасывать на поверхность объекты диаметром до 500 м, не создавая большого беспорядка.

Как не сделать облако мусора

Отправка вещей обратно в космос разозлит вашего главного инженера по космическому мусору и будет означать потерю материалов. Мы не хотим этого делать. Как мы можем этого избежать?

Во-первых, мы должны выяснить скорость убегания нашей планеты. Из этого поста мы видим, что радиус и плотность пропорциональны поверхностной гравитации. Как подсчитано выше, у нас есть радиус 0,9 земного, плотность 0,8 земного, чтобы получить гравитацию на поверхности 0,72 земного. Масса оказывается равной 0,58 земной.

Скорость убегания рассчитывается здесь как$\sqrt{2gr}$, куда$g$гравитация и$r$радиус. Учитывая приведенные выше факторы, скорость убегания вашей Луны составляет 0,8 земной или 9000 м/с. Чтобы ничего не полетело в космос, мы сделаем среднюю скорость выброса из наших ударных кратеров не более 4000 м/с.

В этом посте я выполняю расчеты высоты шлейфа выброса. Эта модель рассчитывает скорость выброса как функцию расстояния от места удара. Мы хотим, чтобы скорость выброса на краю ударника была меньше 4000 м/с. Если вы проработаете уравнение, то обнаружите, что максимальная скорость выброса пропорциональна только скорости удара, а не массе или радиусу ударника (хотя плотность ударника очень важна). В конечном итоге отношения

$$4000 \text{ m/s} = .1313v_i.$$ Таким образом, для выброса со скоростью 4000 м/с максимальная скорость удара должна быть около 30 км/с.

Как не выбрасывать летучие газы в космос

Из интересующих вас газов два самых легких и, следовательно, с большей вероятностью улетучиваются, — это вода (молярная масса 18) и аммиак (молярная масса 17). Поэтому мы должны выяснить, как удержать эти газы на планете после удара.

Во-первых, давайте посмотрим на шлейф выброса из последней задачи. Используя базовую кинематику, частица (аммиака), выброшенная со скоростью 4000 м/с, достигнет высоты около 1100 км (не волнуйтесь! Я знаю, что это далеко в космосе, но без орбитальной скорости она возвращается вниз). !). Время, необходимое для того, чтобы подняться наверх, составляет около 400 секунд, а скорость убегания на этой высоте составляет около 8200 м/с.

Используя расчеты в ответах на этот пост, мы можем выяснить, насколько горячей должна быть частица аммиака на этой высоте, чтобы избежать гравитации Луны. Частица должна достичь температуры около 40000 К, чтобы вырваться в этих условиях. Ой! Теперь отдельные частицы могут улететь, потому что молекулярное распределение кинетической энергии имеет некоторую вариацию. Однако, учитывая, что скорость убегания в верхней части выброса все еще примерно такая же, как расчетная скорость убегания последнего связанного поста, необходимая для удержания газов в течение геологического времени (8500 м/с на расстоянии Земли от Солнца), я думаю, что мы Можно предположить, что очень небольшая часть наших газообразных выбросов попадет в космос.

Как не изменить орбиту и вращение луны

Здесь у меня были более глубокие расчеты, но они на самом деле не нужны. Пока у вас есть технология для ускорения работы до 0,1c, я предполагаю, что у вас достаточно космической мощности, чтобы направлять доставленные полезные нагрузки по своему усмотрению. Если это так, то вы просто попадаете в луну со всех сторон, так что результирующая сила ударов равна нулю.

Вывод

Найдите подходящую луну среднего размера. Растопить его. Разделите различные составы на куски радиусом не более 250 м. Забросьте их на свою планету со скоростью удара менее 30 км/с. В космос улетит очень мало. Выгода!

Доставка

Я полагаю, что разведка пояса астероидов, пилотируемая или автоматизированная, может быть проведена, чтобы разбить куски на более мелкие, чем внедорожник, части, которые можно будет запустить на Луну. Это позволит избежать засорения ракетами или другими искусственными материалами.

Он оставит кратеры, но такие маленькие размеры не будут такими разрушительными, как полная комета или астероид. Когда он ударяется о поверхность, это может помочь высвободить часть, а также создать тепло трения, чтобы помочь поднять температуру бесплодного планетоида.

Более крупные детали можно использовать для создания канав, достаточно больших, чтобы они могли стать озером или водохранилищем, без тяжелой техники, требуемой современными методами. Части меньшего размера предотвратят большой выброс из предполагаемой атмосферы. Сильный удар по каменистой поверхности на самом деле поможет превратить ее в более легкую для посадки почву.

Скорее всего, потребуются значительные изменения на поверхности Луны, чтобы люди могли там жить, так почему бы не сделать это с доставкой материала до того, как мы переедем? Проточная вода изменит поверхность, растения и новые погодные условия.

Кроме того, добавление массы в виде воздуха, воды и т. д. изменит орбиту Луны, так что в определенной степени это неизбежно. Мы изменили орбиту Земли, создав озера с плотинами и другие водоемы.

Преимущество орбитальной бомбардировки состоит в том, что она помогает оценить уровень доступной атмосферы. По мере формирования атмосферы обломки будут показывать все больше и больше трения. Как только его плотность приблизится к земной, большая часть обломков размером с внедорожник никогда даже не упадет на поверхность. Преимущество этого трения заключается в дальнейшем выделении O2, N2, H2O и других материалов/минералов, которые вам могут понадобиться на поверхности и в атмосфере.

Добыча

Использование роботов-майнеров было бы быстрее, чем добыча вручную, но может быть и то, и другое, поскольку роботы, вероятно, нуждаются в обслуживании. Людям всегда нужно кормить свои семьи, поэтому, вероятно, есть «искатели приключений», которые готовы тратить свое время, зарабатывая плату за риск при добыче полезных ископаемых на астероидах. В конце концов, роботы стоят дорого (они постоянно ломаются), а люди сравнительно дешевы (поскольку на Земле не хватает рабочих мест).

Нет необходимости доводить материалы до рафинированного состояния, достаточно лишь разбить их на достаточно мелкие кусочки. Может возникнуть необходимость предотвратить попадание определенных летучих материалов/веществ на Луну, но с огромным объемом, который вы хотите заполнить, небольшие карманы даже газообразного хлора вряд ли будут иметь значение. И если вы отправите его с небольшим количеством натрия, это может даже помочь, например, при производстве соли.

Флора

Высока вероятность необходимости использования какой-либо генетической модификации микро- и макробиологических элементов первой стадии развития растений. Растения должны быть адаптированы именно к этой среде. Не все растения могут работать в каменистой местности с низким содержанием CO2, низким содержанием O2, низкой температурой, низкой гравитацией и низкой влажностью, о которой вы говорите. Вероятно, это также должны быть высокоурожайные растения и микробы, которые будут производить высокие уровни O2, N2 и многих других вещей, чтобы иметь возможность создать атмосферу даже через 100 лет. Эта флора также должна быть в состоянии проникнуть в каменистую поверхность, чтобы получить необходимые им минералы.

Они также могут быть очень восприимчивы к определенному химическому веществу или аэрозолю, которые убивают быстро распространяющийся биом, поэтому можно было бы ввести больше земных ручных растений, не опасаясь быть убитыми первоначальными формами жизни, развивающимися на планете.

Скорость путешествия

Даже 1/10 скорости света — это очень быстро. Это позволило бы нам добраться от Земли до пояса астероидов за часы или дни, а не за текущие месяцы, поэтому пилотируемая экспедиция вполне в пределах досягаемости для такой скорости. Нам просто нужно убедиться, что мы не отправим материал на Луну на такой скорости.

Однако вы можете иметь большой транспорт, который собирает у шахтеров, затем летит на Луну, замедляется, чтобы открыть двери, чтобы разгрузить/бомбить планету мелкими фрагментами, а затем возвращается к точке сбора. С 1/10 c это потенциально может быть сделано во многих точках пояса астероидов с почти постоянной доставкой на Луну.

«Марсианский путь» Айзека Азимова сделал что-то похожее. Речь идет о марсианской колонии, которая испытывала нехватку воды и просила Землю обеспечить ее. Земной политик выступил против того, чтобы давать им больше, сославшись на нехватку поставок, поэтому марсианская колония нашла собственное решение. Они отправили группу на большой ракете, чтобы найти большой, в основном ледяной, астероид, чтобы вернуть его. В конце концов они встроили ракету в астероид и использовали его в качестве источника топлива, чтобы вернуться домой. В итоге у них было более чем достаточно воды для себя, но им пришлось потратить значительную ее часть, чтобы доставить ее туда и приземлить, а не просто разбить.

https://en.wikipedia.org/wiki/The_Martian_Way

Крупномасштабные проекты, подобные этому, должны учитывать экономику перемещения всего этого материала по Солнечной системе. Вам нужно будет применить энергию, чтобы сдвинуть его с любой орбиты, на которой он сейчас находится, затем, поскольку вы выступаете против баллистического удара, больше энергии, чтобы соответствовать орбитальной скорости цели и доставить ее на минимальных скоростях.

В зависимости от того, где материалы находятся по отношению к цели, у вас есть несколько вариантов. Если вы находитесь на более дальней орбите от источника материала, чем местное солнце, вы можете использовать высокопроизводительные солнечные паруса для буксировки материалов на соответствующие орбиты. Парус может разогнаться до целевой планеты, а затем «повернуть», повернув вектор доверия против направления движения, чтобы соответствовать орбитальной скорости.

Солнечный парус, ускоряющийся к цели

Солнечный парус тормозит к цели

В то время как обычный образ солнечных парусов кажется огромным, медленно движущиеся устройства, высокопроизводительные паруса с ускорением 1 мм/сек^2 могут перемещаться по Солнечной системе с впечатляющей скоростью, путешествие в один конец с Земли на Плутон на таких скоростях заняло бы всего 3 часа. лет (хотя это пролет). Реальный ключ заключается в том, чтобы настроить «конвейер» и отправлять материалы устойчивым потоком. Хотя доставка первой «посылки» может занять 3 года, как только трубопровод будет заполнен, в пути будет постоянный поток материалов.

K Эрик Дрекслер впервые предложил идею тонкопленочных солнечных парусов еще в 1970-х годах.

Использование системы зеркал на цели, чтобы отражать солнечный свет на быстро движущиеся солнечные паруса, чтобы помочь замедлить их, решает две проблемы: вы не только лучше контролируете приближающиеся паруса, но также можете использовать солнечную энергию, когда не контролируете паруса, для обеспечения энергии. на поверхность, чтобы способствовать разжижению твердых веществ или превращению жидких материалов в газы (крайним случаем может быть сосредоточение солнечной энергии на поверхности Марса и кипячение кислорода из оксида железа на поверхности. Очевидно, что это энергоемко и неэффективно, но при достаточной энергии вы можете сделать почти все).

С другой стороны, вы могли бы установить зеркала размером с континент или взводы зеркал, чтобы ускорить солнечные паруса из дальних уголков Солнечной системы, чтобы отправить нарезанные куски комет обратно во внутреннюю часть Солнечной системы для вашего проекта терраформирования. Учитывая более слабый солнечный свет и огромные расстояния, вы можете рассчитывать на десятилетие, прежде чем прибудут первые поставки из «трубопровода», но опять же, как только трубопровод будет заполнен, у вас будет постоянный поток поставок.

Не зная таких важных вопросов, как фактические расстояния между источниками снабжения и целями, орбитальные скорости и т. д., ответ можно махнуть рукой, но на всегда полезном сайте Atomic Rockets есть много соответствующей информации и уравнений для работы, чтобы вы могли рассчитать доставку. время, изменение скорости и т.