Я собираюсь обобщить комментарии и другие ответы.

Если вы хотите оставаться верным науке:

Бесплатного обеда не бывает

Несмотря на все, что вам говорили, бесплатных обедов не бывает.

Солнечная энергия — это провал

Несмотря на то, что Земля находится близко к Солнцу, фотоэлектрические панели в лучшем случае маргинальны, и они представляют собой очень разбавленную форму выработки энергии по сравнению с другими типами. По мере удаления от солнца интенсивность солнечного света падает.$\frac{1}{r^2}$.

НАСА не рассматривает солнечную энергию как жизнеспособный источник энергии за пределами орбиты Марса. Вы тоже не должны.

Возобновляемый источник энергии

Между звездами есть ровно один возобновляемый источник энергии, это межзвездный водород .

Есть много возможных способов использования этого водорода, но все они распадаются на один из двух способов:

1. Слияние
2. Аннигиляция антивещества

Иметь свой торт и есть его тоже

Ваш вопрос очень ясно дает понять, что вы НЕ хотите рассматривать ядерную энергетику.

Поскольку вы предположительно пишете художественную литературу, это означает, что вы можете написать в своей истории все, что захотите. Вы можете заявить, что люди нашли магнитные монополи , флюбберы или могут использовать чистую энергию нулевой точки . Ни один из них на самом деле не является реальным или жизнеспособным в качестве средства питания космического корабля, но если вы настаиваете на отказе от ядерного оружия, вам придется использовать для этого какую-то форму ручного удара (он же McGuffinite ) .

Насколько я вижу, у вас есть несколько вариантов.

2 из них нужно взять с собой. Вам нужно, чтобы они были очень плотными по выработке энергии, потому что у вас не так много места.

Возьмите с собой

1. ядерную энергетику вы уже забросили.

2. Антиматерии требуется гораздо меньше места, но ей нужна энергия, чтобы надежно удерживать ее. Кроме того, мы еще не можем генерировать достаточно, чтобы быть полезными.

уменьшить потребность в энергии

3. Поместите (почти) всех в криостаз и запаситесь достаточным количеством энергии, чтобы продержаться в пути.

возобновляемый / забрать по пути

4. Слияние. У вас может быть большой совок перед кораблем, который собирает молекулы водорода, чтобы они сливались в более крупные атомы. В настоящее время термоядерные машины, которые у нас есть, огромны и опасны.

5. Каким-то образом научитесь использовать темную энергию и темную материю.

Космический ветер

Да, это реальная вещь . Основная проблема здесь, как и в случае с большинством возобновляемых источников энергии, заключается в том, что вы не получите от них много энергии. И не только это, реальная сила исходит от того, что вы лишите себя импульса движения вперед (как установка ветряных турбин на машину, вы крадете у себя). Это технически возобновляемый вариант, но не имеет преимуществ перед ядерным вариантом. Там просто не так много вариантов энергии.

Идея в том, что межзвездная среда будет пролетать мимо вас. У него есть масса, и он движется относительно вас, а это значит, что вы можете протянуть руку и собрать эту энергию. Либо кинетическая энергия, либо, как предложил Боулернер, собрать межзвездный водород для использования в термоядерном синтезе. Да, синтез — это форма ядерной энергии на вашем корабле, но она возобновляема. Это также то, как вы начали в первую очередь, за исключением того, что слияние было со звезды.

В качестве альтернативы вам нужно оставить излучающую станцию ​​рядом со звездой позади вас, чтобы направить энергию в ваши паруса и бортовые батареи. Это позволит вам больше мощности и более длительный период ускорения.

Что вы подразумеваете под возобновляемым ? Я думаю, что обычное использование — это то, что у вас никогда не закончится, или что-то, что не истощает ранее созданный запас (то есть не ископаемое топливо). Я думаю, что вы имеете в виду нечто внешнее по отношению к кораблю, а не то, что вы принесли с собой.

Но действительно, почему? И в некоторых случаях трудно провести различие.

Прежде всего, каков ваш энергетический бюджет? Посмотрите на другие вопросы, касающиеся того, сколько энергии требуется для ускорения корабля. Это больше, чем все энергопотребление Земли сейчас, на порядки. Это с миллиардами людей и всей тяжелой промышленностью. Сколько энергии потребуется жильцам ? Сумма — крошечная капля в бюджете, необходимая для ускорения, а затем замедления корабля.

ездить на тормозах

Так что плохого в том, чтобы немного от этого избавиться? Планируя отдельный источник энергии, который будет работать бесконечно, в случае, если первичный источник будет потерян, и они не смогут замедлиться в пункте назначения и обречены вечно летать на релятивистских скоростях, тогда, по крайней мере, они смогут просто продолжать жить так?

Я хотел бы отметить, что одним из резервуаров энергии является сам движущийся корабль. Как я уже сказал, достаточно для цивилизации Типа I дома! Вам все равно нужно замедлиться, так что было бы неплохо, если бы вы могли каким-то образом использовать часть этой энергии в качестве побочного эффекта, а также не тратить столько энергии во второй раз, чтобы замедлиться?

Согласно современным расчетам, прямоточный воздушно-реактивный двигатель Bussard на самом деле не может дать выигрыша в лобовом сопротивлении. Но если вы ломаетесь , это не проблема, а торможение только усиливает вашу поломку! Запуск прямоточного воздушно-реактивного двигателя на незначительном уровне во время крейсерской фазы обеспечит мощность для внутреннего использования корабля и создаст такую ​​же вмятину в движении корабля, как и окружающая пыль и газ в любом случае.

Для разбивания есть также магнитные и электрические совки. ПВРД может работать недостаточно хорошо, независимо от того, насколько хорошо он спроектирован, поэтому переверните его с ног на голову и вместо этого сделайте совок настолько плохим , насколько это возможно, и у вас есть парашют. Без необходимости собирать водород и подавать его в термоядерный двигатель, вы можете просто использовать энергию его прохождения через совок как есть, как ветряная мельница.

Длинный токопроводящий трос может обеспечить магнитное взаимодействие с галактическим магнитным полем, служить разрывом и огромным источником электричества.

Может быть, вы получите лазерный импульс с Земли, чтобы двигаться в течение короткого времени, а затем вам придется бежать всю оставшуюся часть пути, поскольку тормозная тяга не так велика, как пусковая тяга. Или, может быть, вы путешествуете в течение нескольких лет и замедляетесь, когда добираетесь до места, способного довольно сильно сломаться. В последнем случае вы все равно можете запустить брейк на ничтожную величину для выработки энергии. Количество энергии, которое вам нужно, на порядки меньше, чем количество кинетической энергии корабля, поэтому вы этого не заметите.

Роберт Форвард - твой друг.

Чтобы разогнать легкий парус до ближнего$c$, парус питается от блоков тераваттных лазеров на близкой к Солнцу орбите (общая версия состоит в том, чтобы солнечные электростанции и лазеры вращались вокруг Меркурия, но вы можете расположить это по своему усмотрению). Парус движется по силовому лучу, и по мере того, как он удаляется все дальше и дальше от Солнечной системы, гигантские линзы Френеля, подвешенные в космосе, фокусируют луч на звездолете. (см. http://www.lunarsail.com/LightSail/rit-1.pdf )

Тераваттные лучи — это большая энергия, поэтому вполне реально использовать часть энергии, сияющей на световом парусе, для отражения на устройстве преобразования энергии на самом космическом корабле, чтобы обеспечить «возобновляемую» энергию. Поскольку это по существу солнечная энергия, она подходит под определение «возобновляемая».

Дополнительным бонусом является то, что описанная система может использоваться для замедления. Два каверзных вопроса: будет ли кто-нибудь управлять системой лазера и линз, когда придет время снизить скорость, и; будет ли система работать с достаточной эффективностью, чтобы замедлить световой парус, движущийся со значительной долей$c$? Сам Форвард предложил гораздо более скромные характеристики системы.

Резюме: Bussard Scoop — ваша единственная надежда, но это очень небезопасная ставка.

Как указывали другие: нет, это невозможно сделать в традиционном смысле «возобновляемой энергии», какой мы ее знаем на Земле. Космос ужасающе пуст от всего , включая энергию для сбора урожая.

Но я хочу попросить вас бросить вызов посылке. Мой вопрос к вам таков:

Вы имели в виду «возобновляемую» или «устойчивую» энергию?

Почему вы требуете, чтобы ваш источник энергии был «возобновляемым»? Есть ли сюжетный элемент, который требует этого, или вы прицепили этот ярлык в надежде, что «возобновляемый» означает «хороший»? Где «хороший» в свою очередь означает «устойчивый», «не производит отходов», «надежен», «доступен», «не использует расходные материалы», «просто работает и работает на века»?

Если за этим стоит элемент сюжета, то, как я уже сказал, вам конец. Если мотивация ваших путешественников требовать «возобновляемой энергии» на своем корабле не сводится ни к чему, кроме как «Мы ​​просто хотим, чтобы так было», то ответ их судостроителя будет резким, но правдивым «Тогда вы не собираетесь вникать». пространство". Имейте в виду, что путешествие в космос — это не прогулочный круиз. Это не для брезгливых и беспечных. Придется принять несколько трудных решений, и у вас не будет нескольких «роскошных» вариантов, доступных вам в космосе, которые есть на Земле. Возобновляемая энергия является одним из таких предметов роскоши.

Но если вы просто искали источник энергии, который будет поддерживать ваших путешественников в течение столетий, то вы использовали неправильный подход, полагая, что возобновляемые источники энергии — это единственное, что работает.

Самая надежная ставка - ядерная энергетика. Уже ядерная энергия обеспечивает довольно смешную плотность энергии в своем топливе.

Источник: xkcd 1162, «Логарифмическая шкала».

Если предположить, что ядерная энергия деления четвертого поколения , примерно 50 граммов ядерного топлива обеспечит одного человека электричеством и другой энергией в течение нормальной человеческой жизни. Это вполне управляемо. Вам понадобится гораздо больше других расходных материалов и возобновляемых источников энергии для каждого человека на этом корабле. Если вы беспокоитесь о необходимости таскать с собой топливо, это не проблема, потому что сама по себе предпосылка означает, что вы все равно будете таскать с собой что-то, чтобы прокормить людей, а загрузка топлива для ядерной энергетики не добавляет сколько-нибудь значительного количества энергии. масса.

Если затем мы предположим мощность синтеза, плотность энергии станет еще более смехотворно высокой. Предположим, например, что реактор Polywell работает...

Реактор EMC2 "Wiffle Ball 8" в работе.

...тогда речь идет о потребности менее 1 грамма топлива на человека и на всю жизнь. Также с Polywell можно использовать анейтронный синтез, что означает отсутствие радиоактивных отходов. В анейтронном режиме Polywell использует 1 атом бора и 1 атом водорода для получения 3 гелия за реакцию... Нерадиоактивный гелий, который можно безопасно выпустить в космос.

Поэтому я еще раз спрашиваю вас: почему вы поставили в вопросе «возобновляемые»? Вы действительно этого хотели? Или вы просто искали устойчивый источник энергии?

Вы никогда не получите устройство, которое будет работать вечно, не совершив «приземления» вблизи или внутри звездных систем. Но вы можете получить тот, который работает очень долго , в ядерном делении или термоядерной энергетике.

Я пойду по простому пути и более или менее изобрету технологию, основанную на еще не развитой области физики:

Ваши люди будут использовать Unruh-Energy . Унру теоретически продемонстрировал, что понятие вакуума зависит от пути наблюдателя в пространстве-времени . С точки зрения ускоряющегося наблюдателя вакуум инерциального наблюдателя будет выглядеть как состояние, содержащее множество частиц, находящихся в тепловом равновесии, — теплый газ. Если бы это perspective changeможно было каким-то образом вызвать, не достигая околосветовых скоростей, ложный вакуум можно было бы использовать. Это позволит путешествовать в космос с помощью безреактивных двигателей и уменьшит вес топлива до веса модуляторов эффекта Унру (какими бы они ни были).

Поскольку по определению во Вселенной нет точки без вакуумной энергии, ее буквально не исчерпаешь. Это просто вопрос развертывания достаточно тонкой физики, чтобы в полной мере воспользоваться эффектом. Например, неясно, насколько велика плотность энергии, которую можно восстановить. Я слышал, как физики говорят о том, что объем одной чашки содержит достаточно энергии вакуума, чтобы вскипятить все земные океаны, но никоим образом не ясно, какую часть этого объема можно восстановить, особенно на ранней стадии развертывания технологии привода Унру. .

Ваш корабль следует правилу крутости, известному как «смело идти туда, куда еще не ступала нога человека»?

Возобновляемые источники энергии в наше время обычно предполагают наличие некоторой инфраструктуры хранения/распределения, построенной вокруг них — вы не берете с собой ветряную турбину/солнечную панель, когда едете на электромобиле.

За сотни лет до запуска автоматические заправочные станции были развернуты вдоль ожидаемого пути корабля-генератора для переработки межзвездного газа в более удобную форму энергии для сбора; миссия заключалась в том, чтобы установить безопасный маршрут и избежать гибели слишком большого количества поколений на корабле; таким образом, более высокое ускорение и отсутствие опасных технологий на борту

Или же станции могут иметь инопланетное происхождение и быть разбросаны по всей галактике — так экипаж получает бонусные очки за то, что был первооткрывателем (без предыдущих многоэтапных запусков для встречи..)

Пиратство : Путешествуйте по загруженным транспортным маршрутам и продолжайте красть энергетические батареи людей. Недостаток: работает только в том месте, где есть населенные пункты.

Торговля : То же, что и выше, но более скучно.

Большие батареи : имеют очень хороший возврат энергии, много огромных батарей и путешествуют по звездным системам, а не по прямой. Недостаток: вероятно, невозможно использовать настоящую науку, но достаточно помахать технологией батареи, и она может работать в истории.

С 80-х годов почти все космические миссии использовали специальные солнечные панели для покрытия потребности в энергии на борту, но если нам нужно путешествовать намного дальше в космосе, нам потребуется другая форма энергии, которая может производиться на борту, а не на борту. Солнце, которое может быть довольно далеко от корабля, чтобы считаться источником энергии.

Даже в нашей Солнечной системе, если мы решим отправиться к одному из спутников Юпитера (не дальше), Солнце, находящееся так далеко от нас, не будет считаться жизнеспособным источником энергии.

Например, на Плутоне Солнце выглядит почти как любая другая звезда, поэтому нам нужно рассматривать всю энергию, которая может быть произведена на борту, как жизнеспособный источник энергии, который может питать все действия, происходящие на корабле.

Недавно было доказано, что человеческие отходы могут быть хорошим источником чистой энергии. Человеческая моча является хорошим источником чистой энергии , потому что около 5 литров мочи могут произвести 1 литр биогаза. Учитывая тот факт, что средний человек производит более 1 литра мочи в день, миссия, которая может состоять из четырех-шести человек, может производить достаточное количество биогаза для обеспечения своей повседневной деятельности.

Космический корабль построен как гигантский «похититель джоулей» и использует магнитное поле планет и звезд для создания электричества при его прохождении. Кстати, это защищает людей внутри тороида от радиационного поражения.

Хотя это близко к ископаемому топливу: может ли ваш космический корабль не полагаться только на биомассу в качестве источника топлива? Все организмы создают отходы, которые можно использовать в качестве источника топлива. К сожалению, это означает, что вы теряете возможность путешествовать бесконечно, перерабатывая биоотходы в пищу и другие полезные материалы.