Решение самой большой проблемы релятивистских межзвездных космических аппаратов

Во вселенных без сверхсветовых скоростей межзвездные путешествия часто осуществляются судами, способными к непрерывному ускорению (сами двигатели часто представляют собой магитех), которые могут использовать эффекты релятивистского замедления времени для «сокращения» времени путешествия. Однако, хотя мы часто говорим о космическом вакууме, космос не является настоящим вакуумом. Межзвездная среда не является идеальным вакуумом. с м 3 между 10 6 и 0,0001 можно найти частицы. Врезаться во что угодно, даже в ионизированный газообразный водород, на скорости выше 0,9 с это очень плохая идея. Кинетическая энергия релятивистских объектов определяется этой формулой .

Е к "=" м с 2 1 − в 2 с 2 − м с 2

Это говорит мне о том, что космический корабль с поперечным сечением 50 м * 50 м двигаясь через плотную межзвездную среду ( 10 6 частиц на с м 2 ) и средней межзвездной среды ( 0,5 частиц на с м 2 ) в 0,9 с придется иметь дело с 2,6 * 10 14 Дж / с и 6,5 * 10 7 Дж / с соответственно. Для сравнения, речь идет об энергии 100 к т ядерная бомба или 9 к г Заряд сноса в тротиловом эквиваленте каждую секунду соответственно. Сказать, что это плохо, это ничего не сказать.

Некоторые авторы научной фантастики предлагают использовать лед в качестве щита, чтобы справиться с этим, но цифры показывают, что это нелепое предложение. При условии, что:

  • сублимацию льда в вакууме можно рассматривать как изобарический процесс;

  • вся энергия столкновения поглощается льдом со 100% эффективностью и используется для его нагрева;

  • лед, согласно фазовым диаграммам, сублимируется при 213 К или − 60 С ;

  • лед в 5 К , начать с; и

  • его теплоемкость в этом интервале температур примерно 4000 Дж / к г * К

Нам понадобится около 25 * 10 9 к г льда для 10-летнего плавания в 0,9 с и за тот же рейс в 0,99 с нам даже нужно 110 * 10 9 к г льда. Для тех, кому интересно, это будет 10-километровая и 44-километровая стопка льда соответственно. Это уже будет не космический корабль. Это будет межзвездная комета. Идея «привязать свой космический корабль к ледяному объекту пояса Койпера и полететь к следующей солнечной системе» звучит интересно, но это не то, что я ищу.

Решение — энергетические щиты

Хотя энергетические щиты в значительной степени считаются антитезой научной фантастике, они не являются чем-то выдуманным. Большая часть газа уже ионизирована, а неионизированная часть может быть ионизирована с помощью УФ-лазеров. Камни и пылинки испаряются точечной защитной сеткой до того, как пар также ионизируется. Сам космический корабль покрыт сверхпроводящими магнитами, поля которых отклоняют ионизированный газ до того, как он попадет на космический корабль.

С точки зрения дизайна, я думаю, это приведет к километровым шпинделям, у которых самая толстая середина. Во время фазы ускорения веретено пронзит межзвездную среду подобно энергетическому кинжалу. Фаза замедления немного сложнее, так как двигатель будет впереди. Однако я не думаю, что это будет проблемой, поскольку двигатель, способный к непрерывному ускорению на несколько g, без проблем пробьет межзвездную среду. Остальная часть судна теперь защищена магнитным щитом и точечной защитой на нижних палубах.

Верны ли мои предположения об ущербе, который межзвездная среда нанесет релятивистским кораблям? Я ошибся в расчетах? Моя идея, как справиться с этим, хороша?

Вам даже не нужно было бы покрывать ВЕСЬ корабль магнитами, только кончик. Это создаст достаточно поля, чтобы отклонить все вокруг вашего шпинделя.
Проблема, с которой вы столкнетесь, заключается в том, что вам нужно быстро отклонять эти ионы — в конце концов, вы движетесь со скоростью 0,9с. Так что вам нужно либо магнитное поле смехотворной силы, либо смехотворного диапазона — и я не уверен, насколько это возможно. Кто-то (т.е. не я, потому что мои знания о магнитах немного заржавели) должен провести расчеты и посмотреть, сколько энергии для этого требуется.
Мне пришлось удалить свой ответ, потому что я испортил его, потому что я действительно не принял во внимание фактическое количество таких частиц, которые вы встретите, двигаясь со скоростью 0,9 с. С 0,5 частицами на кубический сантиметр вы столкнулись бы с более чем 30 000 000 000 частиц на 1 квадратный сантиметр в секунду (после поправки на замедление времени). При таких числах даже чрезвычайно малая вероятность того, что частица столкнется с другой частицей внутри вас, вряд ли компенсирует количество частиц, прошедших через вас. Таким образом, я удалил свой ответ, чтобы не вводить в заблуждение. Прошу прощения за то, что поторопился с ответом, не проверив свои номера.
Я хотел задать этот вопрос раньше, но боялся, что сформулирую его не по теме. Спасибо за вопрос, жду ответов.
У физика Исаака Артура есть отличное видео на YouTube, которое охватывает именно эту тему (и многое другое): Interstellar Travel Challenges . Математика не слишком усложняется, поэтому я не уверен, что это подходит под тег точных наук в качестве ответа, но это хорошее место для начала.
Я думаю, обычно предполагается, что отдельные молекулы и более мелкие частицы пыли будут отклоняться магнитным полем, поэтому экран нужен только для более крупных частиц пыли, см. обсуждение проекта Ро . Я не слышал об использовании льда в качестве щита на релятивистских скоростях, графит/графен был бы лучше, в этой статье о ракете Фрисби на антивеществе говорится о скорости сублимации графитового щита на стр. 11.
@Harabeck На самом деле я постоянный зритель SFIA, поэтому я знаком с этим видео. Спасибо хоть.

Ответы (2)

Я думаю, что ваша математика может показаться слишком сложной, потому что вам нужно учитывать, что вы распределяете силу по площади поверхности в 25 миллионов см^2.

Чтобы расширить ответ Файлуса:

Самая опасная скорость будет около 0.6с. На этой скорости ваш корпус сталкивается примерно с 18 миллиардами атомов = 3,29e-17 кг водорода/с /см^2.

При 0,6c вы смотрите на 1,62E+16 Дж/кг водорода, что означает, что ваше фактическое сопротивление достигает максимума около 0,1 Дж/см^2 в нормальном вакууме или 100 Дж/см^2 в плотном пространстве, что находится в пределах допуска. для многих материалов. Для сравнения, пассажирский самолет, движущийся со скоростью 250 м/с в атмосфере Земли, испытывает около 0,9 Дж/см^2. Итак, пока вы избегаете толстых туманностей, ваш корпус должен быть в порядке, если у вас есть базовый метод рассеивания тепла.

Если ваш корабль имеет достаточную длину для своего переднего профиля, вы сможете использовать систему охлаждения для циркуляции тепла по всему кораблю и либо найти способы рециркуляции, либо отвода тепла.

«площадь поверхности 25 миллионов см ^ 3» вы имеете в виду см ^ 2? Я сделал поправку на это в расчетах.

Я думаю, вы не правильно понимаете. Лучше смотреть на ситуацию, когда космический корабль стоит на месте, а водород летит за ним с релятивистской скоростью.

С этой точки зрения ваш корабль практически подвергается бомбардировке протонными лучами, как из ускорителя частиц. 0,9с не такое уж большое число - это всего лишь ГэВ. Нам не нужен чрезвычайно большой ускоритель, чтобы получить эту энергию, и мы уже отклоняем такие протонные пучки магнитными полями в относительно небольших установках: порядка десятых метров и от десятков до сотен тонн. Вам даже не нужно тратить энергию на это, если вы используете сверхпроводники (энергия идет от уменьшения момента космического корабля - т.е. от вашего двигателя)

Так что да, магнитное экранирование — хороший способ уменьшить коррозию и наведенную радиоактивность космического корабля.

И не стоит сильно различаться по поводу структурной целостности: пока энергия этих протонных пучков высока, суммарный импульс очень мал. Они не будут толкать космический корабль с большой силой. Так что это скорее очень яркий свет (т.е. от ядерного взрыва), чем поток газа.

Решение самой большой проблемы релятивистских межзвездных космических аппаратов
СпросиСетьПолитика конфиденциальности1y, 0v