Проблема в том, что «сфокусированный» на самом деле не означает «концентрированный».

Каждый, кто когда-либо играл с увеличительным стеклом, «знает», что можно взять свет Солнца и превратить его в бесконечно концентрированную точку. По сути, это вариант того, что вы пытаетесь сделать.

Проблема здесь в двух вещах:

1. Единственная причина, по которой вы можете получить такую ​​маленькую точку, заключается в том, что увеличительное стекло находится очень близко к «мишени» по сравнению с расстоянием до источника света.

2. На самом деле это не бесконечно концентрированная точка; это сфокусированное изображение Солнца.

Это не очень маленькая точка света, это образ Солнца. ( Источник изображения )

Оказывается, вы не можете собрать свет и заставить его идти более узким лучом, выходящим из вашего светособирающего устройства, чем он был, когда он пришел. Световой пучок всегда будет, по крайней мере, таким же широким или шире. Чтобы объяснить это во всех подробностях, требуется университетский курс оптики, но вкратце этот принцип называется « Сохранение Étendue» , и если вам нужна действительно точная наука, я рекомендую вам прочитать эту ссылку. Но это слишком продвинуто — и никому не нужно — цитировать его здесь полностью.

Так что вы простите меня, если я немного сосредоточусь на ответе. Или, скорее, сконцентрируйте его. ;) И если приведенный ниже ответ кажется скучным или трудным для понимания, я рекомендую xkcd: что, если #145 .

Когда вы используете оптику для перемещения света от источника света и проецируете его куда-то еще, самое малое, что вы можете сделать проецируемым светом, — это когда вы получаете изображение источника света, которое находится в идеальном фокусе. «В фокусе» в данном случае не означает «концентрация в очень маленьком пятне», а вместо этого означает, что вы можете четко видеть каждую деталь источника света, потому что он не размыт. Простые правила оптики диктуют, что вы не можете уменьшить проецируемый свет.

Следующее правило оптики гласит, что идеальный способ спроецировать источник света в другое место — это «линза» с точечным отверстием . С пинхолом вы всегда получите идеально сфокусированную проекцию, а с пинхолом вы всегда получите наименьшую проекцию.

Следующее правило оптики гласит, что бесконечно маленькое и совершенно плоское зеркало похоже на точечное отверстие, только у него есть дополнительное преимущество, заключающееся в том, что оно может отражать проецируемое изображение в каком-то другом направлении.

Еще одно правило оптики гласит, что каждую линзу — например, увеличительное стекло выше или, в случае вопроса: ваше устройство солнечного луча — можно аппроксимировать, предполагая, что она состоит из бесконечного числа бесконечно маленьких зеркал. Проекция от объектива — это как раз все эти изображения от зеркал, наложенные друг на друга.

Теперь идет кикер:

Размер идеально сфокусированного изображения с помощью пинхола пропорционален оригиналу точно так же, как расстояние между объективом и изображением, а также между объективом и источником света пропорционально друг другу.

Если вы разделите размер изображения на размер оригинала, вы получите отношение... скажем, 1 к 10, изображение в 10 раз меньше.

Это соотношение такое же, как между расстоянием от отверстия до изображения и расстоянием от отверстия до оригинала. Значит, если камера находится на глубине 1 метр, то расстояние до дерева составляет 10 метров.

Для вашего проекта это означает, что эта ваша «линза» — и я еще раз говорю: все линзы, оптика и другие подобные устройства могут быть аппроксимированы бесконечным числом зеркал, которые, в свою очередь, подобны дырочкам — должна быть ближе к Титану, чем к солнце. В противном случае спроецированное изображение Солнца на Титане будет больше , чем само Солнце, и, следовательно, будет слабее по интенсивности; вы почти ничего не выигрываете, это не имеет никакого значения.

Предполагая, что вы хотите, чтобы ваше фокусирующее устройство не теряло впустую солнечный свет, заставляя его падать за пределы Титана, изображение Солнца должно быть меньше, чем сам Титан. А так как соотношение между размером Солнца и размером Титана составляет примерно 279 : 1, не будет никакого смысла использовать эту вашу схему, пока вы не поднесете свое концентрирующее устройство так близко к Титану, что расстояние от этого устройства до Титана, деленное на расстояние от устройства до Солнца, равно 1 на 279...

... т.е. вы все равно почти у цели.

С таким же успехом вы можете разместить свои рефлекторы на орбите вокруг Титана и собирать там солнечный свет. Это также означает, что вам не нужно распространять его по всему Титану, но вы можете поместить его в более важные места.

Существуют ограничения на минимальный размер, основанные на вибрации.

Резюме: Если вы используете либо лазер, либо какой-либо другой механизм фокусировки, для такого устройства существует минимальный предел размера, ниже которого оно не сможет точно передавать свою энергию на большие расстояния из-за вибрации.

Утверждение: Лазер, установленный на МКС, не мог точно поразить объект размером с Титан на расстоянии от вулканоидов до Сатурна из-за вибрации МКС.

Измерения вибрации

Для Международной космической станции мы можем получить расчетную вибрацию из рисунка 1 в этой статье . Вибрация изображается как частота в герцах по сравнению с ускорением в среднеквадратических микро-g.

Вибрацию можно смоделировать с помощью простой динамики пружины, так что положение синусоидально движущейся пружины определяется выражением

Проецирование этой вибрации на Титан

Используя базовую тригонометрию (в основном прямоугольные треугольники), мы можем определить воздействие этой вибрации на удаленную цель. Если лазерная указка длиной$l$вибрировали на 4 мм и были направлены на объект радиусом$r$на расстоянии$d$прочь, вибрации заставят объект быть полностью упущенным, если

Поскольку мы имеем дело с Титаном, мы можем использовать радиус Титана как$r = 2576000 \text{ m}$а расстояние между вулканоидами и Титаном около$d = 1.346e12\text{ m}$как минимум (примерно на 10% больше, как максимум). Подключение$r$и$d$с нашими заданными 4 мм вибрации мы находим, что наша лазерная указка должна иметь длину около 2 км, чтобы амплитуда колебаний была меньше радиуса нашей цели.

В качестве альтернативы можно сказать, что если бы длина фокуса составляла 100 м, что примерно соответствует длине МКС, то максимально допустимая амплитуда колебаний в МКС составила бы 0,2 мм. В любом случае ясно, что МКС слишком мала и слишком сильно вибрирует, чтобы надежно поразить Титан на расстоянии 9 астрономических единиц.

Смягчающие факторы

Поскольку вопрос о том, каков реальный механизм передачи мощности на такое большое расстояние, остается открытым, эти пределы вибрации отвечают на вопрос, «каковы основные проблемы».

Первый и наиболее очевидный смягчающий фактор — просто сделать механизм фокусировки очень большим. Если бы механизм фокусировки был встроен в один из вулканоидных астероидов, это бы сильно помогло.

Вторым очевидным смягчающим фактором является создание амортизирующих опор для любого тяжелого оборудования на станции. Современное промышленное оборудование настроено так, чтобы оно было практически безвибрационным: судовой газотурбинный двигатель GE LM2500 подает сигнал тревоги при амплитуде вибрации 0,1 мм; Судовой дизель Wartsila W20 (20-цилиндровый) создает вибрацию около 0,25 мм на блоке во время нормальной работы.

Тем не менее, даже при очень низком уровне вибрации неточность луча на таком расстоянии заметна. Если проекция вибрации на цель составляет значительный процент от радиуса цели, система доставки может оказаться неадекватной для тех, кто платит за доставку этой энергии.

Солнечный свет, доставленный таким образом, например, не был бы очень полезен для выращивания растений. Лазеры, нацеленные на электростанцию ​​на Титане, тоже не принесут особой пользы. Масштабы проблемы вибрации во многом зависят от использования поставляемой энергии.

Для достижения этих целей существует довольно грубая сила, и вы можете немного «махнуть рукой», чтобы сказать, что Робинсон описывает части этого устройства.

Вам нужна искусственная лазерная звезда . Используя ионизированную плазму солнечной фотосферы в качестве среды генерации, можно построить лазерные излучатели огромной мощности и энергии луча на Сатурн (или, если уж на то пошло, далеко в облако Оорта). Действительно, что-то подобное можно использовать для запуска звездолетов с лазерным световым парусом, как предложил Роберт Л. Форвард.

Одна из версий искусственной лазерной звезды включает в себя серию зеркал, вращающихся вокруг Солнца. Лазер стреляет во взвод и отскакивает от солнца по кольцу между зеркалами. Когда кольцо проходит через ионизированную плазму фотосферы, происходит инверсия населенности и генерируется больше лазерного света, при этом кольцо действует как «полость» лазера, а зеркала - как резонирующие зеркала. Когда луч имеет соответствующую мощность, одно или несколько зеркал «наполовину посеребрены» (вероятно, за счет изменения коэффициента отражения материала), и луч излучается в космос.

Теперь самая большая проблема здесь не в том, чтобы создать луч или использовать «вулканоиды» в качестве креплений для зеркал и устройств управления, а в том, как удерживать непрерывный луч, направленный на Сатурн (или, точнее, на Титан). Чтобы сделать это и предотвратить испепеление космических кораблей и планет, которые могут пройти через траекторию луча, луч должен быть испущен над плоскостью эклиптики и в одном или нескольких зеркалах на высокоэллиптических орбитах вокруг Солнца. Затем эти зеркала перенаправляют луч обратно к другой серии зеркал (вероятно, на полярной орбите вокруг Сатурна), которые затем направляют луч на Титан. При желании вместо зеркал можно использовать линзы Френеля или дифракционные решетки.

Другим преимуществом этой системы является то, что луч действительно может расходиться, поскольку он может быть перефокусирован релейными зеркалами или линзами между Солнцем и Сатурном.

Фокусировка света таким образом на самом деле не работает, как описывает хороший ответ MichaelK. Тем не менее, простое фокусирование солнечного света в любом случае наивно. Сделать огромные зеркала или особенно линзы сложно, а видимый свет страдает некоторыми проблемами, связанными с дифракцией. Следовательно:

Инженерные и физические проблемы значительно уменьшаются, если вы хотите что-то «излучать», вы делаете луч самостоятельно.

В частности, я предлагаю собирать энергию, а затем использовать ее для накачки высокочастотного лазера. Это можно сделать с помощью солнечных батарей (на орбите или на астероиде (который вам придется переместить на место)). Вблизи Солнца панели могут аккумулировать больше энергии, но главной проблемой является тепло. Возможно, термопара, например, от поверхности Меркурия к его внутренней части, будет работать лучше.

На стороне Титана вы черпаете большую часть энергии лазера и используете ее. ИК-лазер было бы легче создать, но лазер гамма-излучения несет больше энергии, а также имеет меньшую дифракцию. К счастью, поскольку Титан имеет плотную атмосферу, лазеры вакуумной частоты можно использовать для непосредственного нагрева атмосферы.

Но сама идея межпланетной лучевой энергии в целом непрактична. По оптимистичным оценкам, через 300 лет у нас будет термоядерный синтез, а Сатурн — богатый источник легкоплавких изотопов с относительно неглубоким гравитационным колодцем.

Кроме того, поскольку Титан почти буквально сделан из ракетного топлива, может быть проще вывести его на более близкую к Солнцу орбиту (катализировать соединения кислорода из горных пород).

Наконец, если вас не интересуют точные науки , вы можете играть в глупые игры, такие как открытие червоточины с низкой солнечной орбиты на высокую орбиту Титана.

Свет уже излучается на Сатурн от солнца, однако для того, чтобы это имело какие-либо последствия, отличные от обычных (немного света и тепла), вам нужно было бы выделить отдельного члена из спектра света. По сути, я говорю о лазере. К сожалению, сфокусированный луч света от солнца не может иметь препятствий. К счастью, космос — это в основном пустая пустота, и это вряд ли произойдет. Однако в случае с луной, вращающейся вокруг Сатурна, вполне вероятно, что большую часть времени луна будет затмеваться своим хозяином. Это огромная проблема. Другая проблема заключается в том, что сфокусировать свет на таком большом расстоянии невероятно сложно, так как свет рассеивается на расстоянии. Мое единственное современное решение, по сути, было бы чрезвычайно длинным оптоволоконным кабелем. Наконец, будет очень небольшая разница в нагревающем эффекте всей луны, но вместо этого в очень маленькой отдельной точке. Надеюсь, это поможет.