Можно ли построить кольцевые миры с активной поддержкой?

Основная проблема космических сред обитания со спин-гравитацией заключается в том, что в какой-то момент центробежная сила превзойдет предел прочности строительных материалов на растяжение, даже если бы был доступен идеальный графен. Таким образом, даже самые большие вращающиеся среды обитания не могут обеспечить жилой площади больше, чем континенты на каждый барабан. Можно, конечно, обменять особенности местности и гравитацию на более пригодную для жизни площадь, но даже у этого есть свои пределы.

Зная, что динамическая поддержка структуры обычно является ответом на то, чтобы сделать мегаструктуры намного больше (подумайте о башнях атласа и динамически поддерживаемых орбитальных кольцах, которые используют технологию массового потока ), мне было интересно, можно ли применить активную поддержку к орбитальным станциям Бэнкса и Кольцевым мирам, которые обычно считается невозможным без унобтаниума. Очевидно, что «материалы» с высокой прочностью на сжатие мне здесь не особо помогут.

Однако основная задача вращающегося кольца — сопротивляться центробежной силе. Так что, если бы мы могли каким-то образом сжать кольцо, чтобы обеспечить противодействие. Основная проблема, которая возникает из-за этого, заключается в том, что трение между кольцом, которое будет вращаться со скоростью сотни километров в секунду, и вообще чем угодно, будет иметь впечатляющие результаты. Нам нужна поверхность без трения. А пока предположим, что у инженеров получилось какое-то абсолютно бесшумное покрытие из унобтания. (может быть, сверхпроводящие магниты могли бы обеспечить интерфейс без трения?)

Базовая конструкция такой конструкции будет представлять собой вращающееся кольцо вокруг центрального источника гравитации и закрывающую его медленно вращающуюся в противоположных направлениях поддерживающую массу. Масса опоры значительно ниже своей орбитальной скорости, поэтому она упадет к источнику гравитации. Однако центробежная сила вращающихся колец уравновешивала бы эти силы.

Я знаю, что собственная гравитация противовесов может стать проблемой в какой-то момент. В какой-то момент мы вполне можем иметь дело с околозвездной планетой-пончиком, хотя я думаю, что кольцевой мир был бы лучшим выбором с точки зрения строительных материалов. На случай, если возникнет вопрос, где можно взять материалы для создания такой штуки, по определению это проект K2+. Итак, звездолет на столе. И большая часть поддерживающей массы, скорее всего, будет представлять собой металлический водород, хранящийся в контейнерах из графена и металла (что еще делать с несколькими планетами из металлов).

Центральным объектом мог быть любой из множества вариантов: планета, газовый гигант, звезда или черная дыра. Вполне может быть, что это источник питания всей конструкции, будь то топливный склад, сфера Дайсона или сфера Пенроуза.

Мне такая структура принципиально возможна? Я где-то напутал с физикой? Смогут ли магниты справиться с давлением интерфейса?

Как правило, очень сложно ответить на строгий научный вопрос, связанный с технологиями будущего любого рода. Рассмотрите возможность удаления тега и уточнения вопроса, чтобы запрашивать только реалистичные ответы.
@GOATNine заменил его научно обоснованным
Может ли это быть не сплошное кольцо, а сегментированное и соединенное кабелями, как идея роя Дайсона, но сохраненная в форме кольца и расположенная ближе друг к другу?
@Орочи Как это поможет? Прочность тросов на растяжение будет накладывать те же ограничения, что и прочность колец, только с более сложной конструкцией.
Честно говоря, я не понимаю, какие методы вы предлагаете, поэтому я не могу комментировать их, но кабель более гибкий, чем сплошная негибкая литая деталь, поэтому теоретически они могут лучше справляться с напряжением всей конструкции, в зависимости от конструкции.
Автору Ларри Нивену и его романам о Кольце можно доверять . Когда он опубликовал первую, группа студентов посчитала и доказала, что пассивный кольцевой мир нестабилен. Он добавил Bussard Ramjets в Ringworld Engineers , чтобы решить эту проблему. Судя по всему, с тех пор на нестабильность никто не жаловался.
Единственная идея, которую я могу придумать, это какой-то пинч-эффект, но я не могу толком вникнуть в проблему (ток, протекающий по проводнику, создает магнитное поле, которое сжимает электроны внутрь, при этом множество параллельных цепей изолированы от друг на друга на отдельные нити будут воздействовать силы -> ? -> стабильная структура). Если кто-то со временем захочет взять эту идею и поработать с ней - вперед!
Увеличение размера кольца увеличивает требования к прочности на растяжение, если кольцо является самонесущим. Добавление спиц может решить проблему. Со спицами конструкция больше похожа на висячий мост, а стена просто поддерживает отдельные сегменты между опорами. Здесь пределом является практическая длина спиц, пока они сами не станут слишком тяжелыми.
@JBH NIven также нуждался в Скрите в вымышленном материале, намного более прочном, чем любая известная форма материи, чтобы его кольцо не разорвалось. Scrith обладает прочностью на растяжение, аналогичной сильному ядерному взаимодействию. и заблокировал столько радиации, как кусок свинца толщиной в световой год.
@John Это действительно хороший момент. Он сделал то же самое для корпусов космических кораблей — создал вымышленный материал, который разрешил все очевидные ограничения физики. Спасибо что подметил это!

Ответы (8)

Используйте внешнее кольцо подшипника, которое не вращается и выполнено из цельного металла (или стекловолокна — что под рукой) со сверхпроводящей внутренней поверхностью (в космосе делать холод дешево — возможно, заполненные азотом тепловые трубки от внутренней поверхности к затененной внешней поверхности). подшипника.)

Maglev вращающееся кольцо от стационарного кольца.

Неподвижное кольцо может снизить нагрузку на вращающееся кольцо двумя способами.

Своей собственной силой натяжения, которой не нужно компенсировать вращение, которого у нее нет, и своим весом в звездной гравитации.

Таким образом, вращающееся кольцо, по сути, представляет собой поезд на магнитной подвеске, движущийся внутри железного обруча. Это можно представить как перевернутый массовый поток, где вращающееся кольцо является массовым потоком, удерживающим неподвижное кольцо в напряжении.

Как указано в «Инженерах Кольца», по-прежнему необходим метод поддержания станции, возможно, солнечных парусов будет достаточно.

Это была моя первая мысль, когда я читал «Мир-Кольцо» , но многое из этой истории не произошло бы без скрита в качестве решения для ручного волнения, а Нивен, похоже, не разбирался в сверхпроводниках, поэтому, возможно, маглев вообще не приходил ему в голову.
Кольцо @StephenS Нивена не может использовать стабилизацию солнечного паруса, потому что все кольцо движется. Парус будет испытывать перегрузку в 1 г — ни один парус, достаточно большой, чтобы его можно было использовать, не выдержит этой силы.
@LorenPechtel Какие солнечные паруса? В Кольце Нивена были прямоточные воздушно-реактивные двигатели для стабилизации, которые одинаково хорошо работали бы с предложенными здесь кольцами ротора или статора.
@StephenS О, я неправильно понял - я думал, вы говорите о парусах, а не о прямоточных воздушно-реактивных двигателях. Обратите внимание, что есть одна большая проблема с маршрутом на магнитной подвеске — вам нужен IIRC в 12 раз больше массы Кольца Нивена, и у вас не может быть его отвесных стен, они должны быть постепенными — никаких гор разлива.
может понадобиться крыша, а не только стены.
Версия ramscoop от @StephenS Niven's Known Space не будет работать на фиксированном кольце; IIRC минимальная рабочая скорость составляет 770 км/с относительно местной среды. Может быть, если бы они могли получить те, что из Мира Вне Времени ...

Я не знаю, сработает ли это; Я не занимался ВСЕЙ математикой, но моя интуиция, mspaint и симулятор John Hopkins Uni Truss Simulator предполагают, что это сработает. Итак, я представляю это; вот оно:

введите описание изображения здесь

Под зданиями находится большая труба, находящаяся в вакууме (показана серым цветом), через которую проходят металлические гранулы (показаны красным), а большие койлганы (коричневые) прикладывают усилие от конструкции к гранулам. Они могут прикладывать как положительные, так и отрицательные силы, что приводит как к сжатию, так и к растяжению соответственно.

Центробежная сила (действующая как прямая сила на «наземные» элементы) проходит через ферму, которая перенаправляется на знакопеременное сжатие (С) или растяжение (Т) на стену с находящейся в ней трубой, от которой зависит сжатие и растяжение. поглощается потоком гранул путем его ускорения или замедления.

Это необходимо будет тщательно контролировать и динамично, изменение распределения массы внутри кольца может изменить распределение силы, которому необходимо будет противодействовать. Ваша утренняя поездка на работу может потребовать иных сил для исправления, чем ваша вечерняя поездка на работу. Влажные условия на одной стороне могут утяжелить одну сторону, что необходимо исправить и т. д. и т. д.

Это также будет использоваться для противодействия колебаниям, вибрациям и поможет стабилизировать скорость вращения до точной продолжительности дня.

Разве сама трубка не вращается вместе с конструкцией? Как предотвратить его разлет из-за центробежной силы?
Все это по существу статично, кроме гранул. Катушки соединены с трубкой. Вес трубки внесет некоторую напряженность в уравнение, которое влияет на математику того, сколько силы нужно приложить к каждой катушке. Кроме того, трубка не должна быть несущей - она ​​просто должна поддерживать поток пеллет в вакууме. Пока элементы каким-то образом соединяются с катушками, конструкция должна работать.
Катушки могут ускорять гранулы только вдоль трубы, это приложит крутящий момент ко всему кольцу вокруг центральной оси. Я не понимаю, как это помогает.
шарики звездно неподвижны, а кольцо вращается вокруг них, вес шариков (в звездной гравитации) сжимает кольцо.

Гелиевый шар.

Ваша схема должна работать. Активная опорная конструкция вращается так, как вы говорите, так что гравитация и центробежная сила уравновешиваются со стандартными реактивными двигателями Кольца. Мы заполняем его жидким гелием-4 (распространенный изотоп) при температуре 2К, т.е. сверхтекучим веществом без вязкости. Внутри него мы возводим кольцеобразную среду с нулевой плавучестью. Независимо от того, как быстро он вращается, его вес такой же, как у гелия (за исключением релятивистских соображений массы, но у нас есть система балласта, чтобы все было точно отрегулировано).

Это должно быть полностью осуществимо с современными технологиями и без каких-либо экзотических материалов, кроме тех, которые необходимы для предотвращения изгиба / разрушения цилиндра Кольца под нагрузкой в ​​1 г. (Постарайтесь не перегревать гелий, потому что тогда будет... массовый расход)

Кольцу не нужен центральный объект; на самом деле, центральный объект — это проблема, потому что мир-кольцо нестабилен относительно центрального объекта.

С другой стороны, мир-кольцо с 24-часовым периодом (без центрального объекта) можно построить из существующих материалов и поместить в подходящую точку L₄ или L₅ (или на какую-то другую стабильную орбиту). В зависимости от ориентации времена года были бы странными.

Как сказал @GOATNine, хорошего ответа нет, так как в будущем мы можем найти кое-что интересное.

Но тот же самый аргумент был сделан с FTL, что «может быть, в будущем это возможно». Как и в случае с FTL, я бы сказал, что сооружения такого масштаба невозможны.

Какое-то безумие думать, что что-то подобное, даже если бы вы могли его построить, выдержало бы даже день эксплуатации. Не говоря уже о том, что вам нужно что-то придумывать, чтобы сделать это возможным.

Основная проблема, которую я вижу, это просто количество силы, которая воздействует на кольцо. Это довольно просто, и нам даже не нужны замысловатые уравнения, вы не сможете построить что-то так долго без каких-либо опор.

Конечно, тут нужна ваша активная поддержка, но она не решает проблемы. Лучшее, что я могу видеть, МОЖЕТ БЫТЬ работающим, — это метрическая черта других колец, каждое из которых вращается немного медленнее, пока либо гравитация, либо количество колец не решат проблему. Таким образом, в некотором смысле у вас будет несколько сотен колец или около того, опирающихся друг на друга. Хотя большинство колец выдры, вероятно, были бы массивнее самой звезды.

Но даже такой многоуровневый подход не будет работать ни в одном реалистичном сценарии. Я имею в виду, что это, вероятно, может сработать, если самые внешние кольца имеют диаметр 10 000 км и более массивны, чем черная дыра.

Так что, в конце концов, как и во всем, может быть способ сделать это, но это один из тех способов, которые «вы действительно не можете сделать так».

На другом узле, если вы пишете историю и действительно хотите мир-кольцо, просто придумайте какой-нибудь материал, который сможет его поддержать. Если вы попытаетесь сделать это реалистичным, люди разозлятся. Никто и глазом не моргнет, когда вы скажете, что «дикалиний — это метаматериал, обладающий тем свойством, что его прочность на растяжение увеличивается, когда через него проходит электрический ток». Имеет ли это смысл? Нет, но это лучше, чем пытаться заставить что-то, что может работать.

У вас есть подтверждающие доказательства? Это выглядит как менее научно обоснованный ответ. Я понял, что активные опорные конструкции более или менее достижимы при известной физике и материаловедении. Рассмотрим длинную медную массу, вращающуюся в магнитной защитной конструкции со скоростью, намного превышающей орбитальную. Инерция контейнера была бы велика, позволяя вам опираться на него большой массой. Умело манипулируя орбитальной массой, вы могли бы, возможно, вращать магнитный контейнер до нужной скорости, имитируя гравитацию. youtu.be/LMbI6sk-62E
Почему именно моя активная поддержка не решает проблему? Насколько я понимаю, механизм активной поддержки — довольно прямое применение орбитального механизма и третьего закона Ньютона. Не могли бы вы объяснить, почему вы думаете, что это не сработает?
Бессмысленно спорить, поскольку вы явно хотите использовать эту идею. Какие доказательства вы хотите? Нет такого прочного материала, вы даже не можете построить что-то подобное, и в этом нет смысла. Я имею в виду, что я писал большой длинный ответ с причудливой математикой, но на самом деле, что бы это изменило?
@ErikHall, вся концепция, по сути, зависит от того, насколько хорошо с помощью магнита вы можете управлять сверхорбитальной, э-э, нитью. Небольшие изменения, например, стыковка/высадка космического корабля из надстройки, активно противодействуют этим магнитным стабилизаторам, отсюда и «активная» поддержка. У нас более или менее есть материаловедение для таких вещей, но не космическая промышленность или экономика. Никакая новая наука не нужна.
Я вряд ли думаю, что это были вы, но кто-то вчера проголосовал против многих моих вещей xD Типа хорошо, это внезапно делает меня неправым, но хорошо. Вернуться к вам. Опять же, когда я говорю, что это невозможно сделать, это не значит, что это теоретически невозможно. Просто никто даже не попытается сделать, так как это путь к нестабильности.
@ErikHall нет, это был не я. Обычно я не минусую. Только на намеренно вредоносных вещах, правда. Я думаю, что вы придаете проблеме нестабильности больше значения, чем она на самом деле стоит. Вращающиеся объекты действуют гироскопически. Вся эта вращающаяся масса имеет достаточно инерции, чтобы оставаться на курсе. Если мы имеем дело с гранулами, как в ответе @ Эша, то коррекция курса должна быть проще, потому что вы имеете дело с локальной нестабильностью. Если вместо этого мы работаем с длинной металлической нитью, вы также сможете легко применять исправления к участкам проволоки.
Пока в металл можно вносить поправки быстрее, чем скорость звука в этом материале, нестабильность не может распространяться очень далеко. Магнитное сдерживание могло бы сделать именно это.
Я соглашусь, что идея построить его в ближайшем будущем довольно неправдоподобна. Нам пришлось бы изобретать целые школы инженерного планирования и методологии. Не говоря уже о космической отрасли, настолько большой, что такой проект займет лишь небольшой процент «ВВП». Я бы отложил это как минимум на 500 лет вперед.
@Eric Hall для относительно старого поста, active поддерживает довольно простую концепцию. Представьте, что у вас есть шланг, закрученный сам по себе, с насосом, толкающим его из одной стороны в другую. Застывает что ли? акт полужесткий, и предположительно, если бы вы накачивали его быстрее, а шланг сделан из других материалов, тогда он был бы жестким, верно. Теперь обменяйте этот шланг на магнитную пыль, движущуюся со скоростью, в несколько раз превышающей скорость света. Верно, что c конечно, но пыль может содержать любое конечное количество энергии, и поэтому данная мощность удерживает любую конечную массу массы с точки зрения структурной поддержки.

Да, но это было бы смертельно опасно

Кольца активной поддержки, не находящиеся на орбите, могут быть подвешены над черными дырами, как это утверждается в дерьмовой тонне экзотической жесткой научной фантастики.

Так да

При этом такая вещь не была бы особенно безопасной. Принимая во внимание масштаб орбиты банка, такие удерживаемые магнитом шарики и пыль будут двигаться с незначительной долей причинно-следственной связи и, таким образом, нести дерьмовый тон энергии. Если магнитная защитная оболочка сломалась, вы в конечном итоге окажетесь с рельсовой пушкой внутри своей среды обитания вдобавок к отсутствию поддержки. Угу. Не говоря уже о требуемой мощности, что означает, что вам, вероятно, будет лучше с чем-то пассивным, например, с солнечными панелями на орбите вокруг звезды.

Или, другими словами, да, но такая структура будет фатальной, даже с некоторой избыточностью.

Вот один вариант, который (спойлеры) не работает:

  1. Построить сверхпроводящий тор.
  2. Медленно добавьте ток и начните крутить его.

Лучшее, что мы можем сделать, это магнитное поле ~10 Тл. Посмотрим, как далеко это нас заведет.

Давление получается B^2/2μ0, или ~40 МПа . Как это соотносится с мирскими решениями?

Ответ: ужасно. Прочность на разрыв углеродных нанотрубок находится в диапазоне 10-100 ГПа .

Вот вариант, который превосходит обычные материалы, но все еще недостаточно прочен.

Рассмотрим набор тонких пластин с переменным электрическим зарядом. Теперь рассмотрите возможность взять такую ​​стопку и согнуть ее в большое кольцо.

Сила между пластинами конденсатора равна

к ϵ 0 А ( В г ) 2
. Тогда давление
к ϵ 0 ( В г ) 2
.

Теперь рассмотрим керамику CCTO . Он изготовлен с диэлектрической проницаемостью до 10^5 и напряжением пробоя 2,38 ГВ/м. (Правда, пока не оба сразу.)

Это соответствует соответствующему максимальному давлению ~ 5 ТПа. (Я бы отнесся к этому числу с долей скептицизма — оно достаточно велико, чтобы эти приближения снова нас укусили. )

Как это соотносится с мирскими решениями?

Ответ: вполне. Прочность на разрыв углеродных нанотрубок находится в диапазоне 10-100 ГПа .

Керамика CCTO имеет плотность ~4,8 г/см^3. Напряжение на тонком вращающемся обруче, создающее г ускорение Т "=" р г р , или р ≤ Т р г . Для 1 г это работает до радиуса ~ 10 ^ 8 м . Все еще далеко не достаточно для кольцевого мира, но, по крайней мере, лучше, чем материальные материалы.

(При этом вам потребуется довольно много энергии, чтобы убедиться, что указанные конденсаторы остаются заправленными, и одно короткое замыкание может привести к разрушению всей мегаструктуры ...)

Можно ли построить кольцевые миры с активной поддержкой?
СпросиСетьПолитика конфиденциальности1y, 0v