Antes de poner una nave espacial en una trayectoria que vaya a una fracción significativa de la velocidad de la luz, ¿habría que probar algunas cosas en la Tierra?

Question

Antes de poner una nave espacial en una trayectoria que vaya a una fracción significativa de la velocidad de la luz, ¿habría que probar algunas cosas en la Tierra?

Espacio
salud
comunicación
alternativa de diseño
propulsión-nuclear
viaje interestelar

liberar

A excepción de los aceleradores de partículas, no creo que hayamos hecho que ningún objeto macro se acerque a las velocidades planificadas para naves espaciales como la planificada en el Proyecto Orión .

Pero, ¿habría algo que aprender primero al intentar hacer que un objeto de masa de varios kg se mueva a, digamos, el 1% de $c$ , especialmente si pudiéramos colocar un animal en tal embarcación? Seguramente uno no enviaría (eventualmente) humanos en un 1% $c$ viaje sin tal experimentación?

El problema, por supuesto, es que quizás no haya una buena manera de alcanzar tales velocidades en la Tierra, aunque supongo que algo como un ciclotrón (con algunas modificaciones importantes) podría hacerlo, excepto que las fuerzas centrífugas serían quizás demasiado grandes. Y un enfoque de acelerador lineal podría no ser práctico/posible/seguro en absoluto.

No obstante, ¿habría algún beneficio en probar problemas con la comunicación, el control e incluso quizás la salud de la tripulación antes de enviar a las personas a un viaje eventual al espacio?

EDITAR: Para mí, la parte más interesante de la pregunta es si hay alguna forma plausible de acelerar un objeto macro en la Tierra a .01 c; tal vez, como se mencionó, esto realmente no se puede hacer en la Tierra debido a muchas prácticas. problemas. Sé que los cañones de riel ni siquiera están cerca de proporcionar esa velocidad y la aceleración que producen probablemente destruiría la electrónica convencional y mucho menos lo que le sucedería a un humano o un animal.

Creo que tengo razón al decir que una pista circular también produciría una aceleración destructiva.

Última edición: mi pregunta no es si se están planeando tales viajes, sino si se están planeando, si las pruebas en la Tierra son posibles o no, si es una buena idea (que por supuesto lo sería) y, finalmente, cómo tales pruebas en La tierra estaría lista.

Mármol Orgánico

"¿Seguramente no planean enviar humanos en un viaje de 1% c sin tal experimentación?" Nadie planea esto en absoluto.

liberar

¿nadie planea un viaje del 1% c en absoluto? o no en uno sin experimentar primero con la Tierra y, de ser así, ¿cómo se lograrán tales velocidades en la Tierra?

david hamen

Voy a votar para cerrar esta pregunta porque nadie planea esto en absoluto.

UH oh

He ajustado la redacción de su pregunta para que se ajuste mejor al sitio. Las quejas fueron que esto no va a suceder en el corto plazo, por lo que fue trivial eliminar esa premisa en particular y dejar una pregunta con respuesta. Siéntase libre de ajustar más si no se siente cómodo con la redacción y ¡ Bienvenido al espacio!

liberar

@DavidHammen: ¿Cómo puede decir que nadie planea un viaje espacial del 1% c, dado que se planeó hace 60 años y más recientemente se está discutiendo sobre el uso de antimateria y velas ligeras? Supongo que dado el compromiso extremadamente grande de Musk y Bezos, bien podría haber equipos trabajando en esto en este momento, aunque solo sea para viajes interplanetarios.

steve linton

@releeabe dado lo difícil que es manejar los 16 km/s que se necesitan para ir de la Tierra a Marte, no creo que nadie esté haciendo nada que pueda llamarse "planificación" para 3000 km/s. Discusión, especulación, charla ociosa en la cafetería, proyectos de diseño de estudiantes de la escuela de ingeniería, el extraño cálculo de viabilidad de proyectos avanzados de la NASA, claro, pero nada parecido a la planificación. Por cierto, a 1%c, la aceleración necesaria para doblar la trayectoria alrededor del ecuador de la Tierra sin volar al espacio es de unos 140 000 g, por lo que no es realmente adecuado para los animales.

david hamen

@releseabe - La NASA, el Departamento de Defensa de EE. UU., el Departamento de Energía de EE. UU. y agencias similares en todo el mundo financian pequeños estudios sobre lo que la mayoría consideraría ideas disparatadas. Esas agencias que miran hacia el futuro serían negligentes si no financiaran tales estudios. La era moderna (internet, teléfonos celulares, computadoras portátiles, computadoras de escritorio) se remonta a 1945 cuando Vannevar Bush escribió As We May Think . Pero por cada As We May Think hay docenas de estudios financiados por grupos de expertos que realmente son ideas ridículas.

david hamen

As We May Think inspiró directamente Internet, las comunicaciones por teléfono celular y The Mother of All Demos . Pero también inspiró directamente el Proyecto Xanadú . Hay una docena de conceptos no tan buenos para cada concepto bueno que se deriva de un gran concepto. Esta es la matemática de la investigación. Pero sin esas ideas disparatadas iniciales no habría progreso. No hay forma de saber de antemano cuáles de esas ideas locas son tonterías y cuáles son enormes.

usuario21103

Es relativamente fácil demostrar que para un viaje interplanetario plausible si quieres

v_{max} \approx 0.01 c

$v_{\text{max}} \approx 0.01c$ entonces no puedes usar velas ligeras (llegas al destino mucho antes de que tu velocidad sea tan alta). Si imagina un impulso de iones increíblemente alto, entonces la ecuación del cohete le da masas iniciales de millones de toneladas por cada tonelada que desea llegar a cualquier lugar. Los cohetes químicos son mucho peores.

Pedro

0.01c con 10 g de aceleración constante necesitaría un canal de 11 millones de km de largo. La aceleración duraría 15000 segundos (es poco probable que un humano pueda sobrevivir tanto tiempo).

Pedro

@tfb ideal

D_{2} \to^{4} H e

$\rm{D_2 \rightarrow {}^4 He}$ , que devuelve lo creado

^{4} H e

$\rm{ {}^4 He}$ , tiene resultados bastante buenos, es divertido calcularlo :-) Con él, 0.1c es posible. Podría ser posible en un artículo escrito por un ingeniero de ITER, con un hobby de escritor de ciencia ficción.

usuario21103

@peterh-ReinstateMonica: ¿sabes cuál es el

v_{e}

$v_e$ de estas cosas es?

Pedro

@tfb

ν_{e}

$\nu_e$ es neutrino electrónico. Pero no aparece en un ideal.

D_{2}

$D_2$ fusión. Normal

D_{2}

$D_2$ la fusión crea

^{4} H e

${}^4 He$ muy raramente, típicamente

D_{2} \to T + p

$D_2 \rightarrow T + p$ o

D_{2} \to^{3} H e + n

$D_2 \rightarrow {}^3 He + n$ sucede, y no hay forma conocida de hacerlo ideal. Además de que una propulsión de iones impulsada por fusión ya es ciencia ficción ahora por razones de ingeniería, esta también es una razón teórica, por la que se necesita ciencia ficción para tal unidad. Espero haber entendido bien lo que preguntas.

usuario21103

@peterh-ReinstateMonica: lo siento, ¡estaba siendo confuso! por

v_{e}

$v_e$ Me refiero a la velocidad de escape (para poder introducirla en la ecuación del cohete...). Pero si esto es aún más ciencia ficción que una unidad de iones de alto empuje, creo que lo ignoraré (estoy en el proceso de expandir mi respuesta para mostrar cuán absurdo es todo).

Pedro

@tfb Eso es simple de calcular: dos veces la masa de deuterón menos la masa de He4, multiplicada por

c^{2}

$c^2$ . Que es la energía total liberada de tal fusión. Si puede entrar en la energía cinética de la partícula alfa (otra ciencia ficción,

\approx

$\approx$ 30%-60% o la efectividad es realista), entonces podemos calcular la velocidad de escape de las partículas alfa. esta en el orden de

c

$c$ , tal vez 0.1c más o menos.

Pedro

@tfb Tal vez un poco de magia QFT incondicional, extendida con control de los campos a nivel nano, podría mejorarlo. Obviamente, no podemos hacer un Maxwell-daemon con QFT, pero tal vez con campos controlados a nivel nanométrico, sería posible que convirtiéramos

D_{2}

$D_2$ rápido, unidireccional

H e_{4}

$He_4$ radiación. El desarrollo de la máquina probablemente requeriría computadoras cuánticas. La nave espacial aún requeriría algunos siglos para llegar a Alpha Centauri.

Pedro

@tfb lo calculé, la velocidad de escape sería relativista,

\approx 0.7 c

$\approx 0.7c$

usuario21103

@peterh-ReinstateMonica: gracias. Se está quejando de los comentarios hacia mí, pero si hiciera una pregunta sobre esto, ¿me daría una respuesta? Me doy cuenta de que es una cosa bastante de ciencia ficción, pero parece que podría estar en el tema.

Respuestas (3)

Antes de poner una nave espacial en una trayectoria que vaya a una fracción significativa de la velocidad de la luz, ¿habría que probar algunas cosas en la Tierra?

"¿Seguramente no planean enviar humanos en un viaje de 1% c sin tal experimentación?" Nadie planea esto en absoluto.
¿nadie planea un viaje del 1% c en absoluto? o no en uno sin experimentar primero con la Tierra y, de ser así, ¿cómo se lograrán tales velocidades en la Tierra?
Voy a votar para cerrar esta pregunta porque nadie planea esto en absoluto.
He ajustado la redacción de su pregunta para que se ajuste mejor al sitio. Las quejas fueron que esto no va a suceder en el corto plazo, por lo que fue trivial eliminar esa premisa en particular y dejar una pregunta con respuesta. Siéntase libre de ajustar más si no se siente cómodo con la redacción y ¡ Bienvenido al espacio!
@DavidHammen: ¿Cómo puede decir que nadie planea un viaje espacial del 1% c, dado que se planeó hace 60 años y más recientemente se está discutiendo sobre el uso de antimateria y velas ligeras? Supongo que dado el compromiso extremadamente grande de Musk y Bezos, bien podría haber equipos trabajando en esto en este momento, aunque solo sea para viajes interplanetarios.
@releeabe dado lo difícil que es manejar los 16 km/s que se necesitan para ir de la Tierra a Marte, no creo que nadie esté haciendo nada que pueda llamarse "planificación" para 3000 km/s. Discusión, especulación, charla ociosa en la cafetería, proyectos de diseño de estudiantes de la escuela de ingeniería, el extraño cálculo de viabilidad de proyectos avanzados de la NASA, claro, pero nada parecido a la planificación. Por cierto, a 1%c, la aceleración necesaria para doblar la trayectoria alrededor del ecuador de la Tierra sin volar al espacio es de unos 140 000 g, por lo que no es realmente adecuado para los animales.
@releseabe - La NASA, el Departamento de Defensa de EE. UU., el Departamento de Energía de EE. UU. y agencias similares en todo el mundo financian pequeños estudios sobre lo que la mayoría consideraría ideas disparatadas. Esas agencias que miran hacia el futuro serían negligentes si no financiaran tales estudios. La era moderna (internet, teléfonos celulares, computadoras portátiles, computadoras de escritorio) se remonta a 1945 cuando Vannevar Bush escribió As We May Think . Pero por cada As We May Think hay docenas de estudios financiados por grupos de expertos que realmente son ideas ridículas.
As We May Think inspiró directamente Internet, las comunicaciones por teléfono celular y The Mother of All Demos . Pero también inspiró directamente el Proyecto Xanadú . Hay una docena de conceptos no tan buenos para cada concepto bueno que se deriva de un gran concepto. Esta es la matemática de la investigación. Pero sin esas ideas disparatadas iniciales no habría progreso. No hay forma de saber de antemano cuáles de esas ideas locas son tonterías y cuáles son enormes.
Es relativamente fácil demostrar que para un viaje interplanetario plausible si quieres $v_{\text{max}} \approx 0.01c$ entonces no puedes usar velas ligeras (llegas al destino mucho antes de que tu velocidad sea tan alta). Si imagina un impulso de iones increíblemente alto, entonces la ecuación del cohete le da masas iniciales de millones de toneladas por cada tonelada que desea llegar a cualquier lugar. Los cohetes químicos son mucho peores.
0.01c con 10 g de aceleración constante necesitaría un canal de 11 millones de km de largo. La aceleración duraría 15000 segundos (es poco probable que un humano pueda sobrevivir tanto tiempo).
@tfb ideal $\rm{D_2 \rightarrow {}^4 He}$ , que devuelve lo creado $\rm{ {}^4 He}$ , tiene resultados bastante buenos, es divertido calcularlo :-) Con él, 0.1c es posible. Podría ser posible en un artículo escrito por un ingeniero de ITER, con un hobby de escritor de ciencia ficción.
@peterh-ReinstateMonica: ¿sabes cuál es el $v_e$ de estas cosas es?
@tfb $\nu_e$ es neutrino electrónico. Pero no aparece en un ideal. $D_2$ fusión. Normal $D_2$ la fusión crea ${}^4 He$ muy raramente, típicamente $D_2 \rightarrow T + p$ o $D_2 \rightarrow {}^3 He + n$ sucede, y no hay forma conocida de hacerlo ideal. Además de que una propulsión de iones impulsada por fusión ya es ciencia ficción ahora por razones de ingeniería, esta también es una razón teórica, por la que se necesita ciencia ficción para tal unidad. Espero haber entendido bien lo que preguntas.
@peterh-ReinstateMonica: lo siento, ¡estaba siendo confuso! por $v_e$ Me refiero a la velocidad de escape (para poder introducirla en la ecuación del cohete...). Pero si esto es aún más ciencia ficción que una unidad de iones de alto empuje, creo que lo ignoraré (estoy en el proceso de expandir mi respuesta para mostrar cuán absurdo es todo).
@tfb Eso es simple de calcular: dos veces la masa de deuterón menos la masa de He4, multiplicada por $c^2$ . Que es la energía total liberada de tal fusión. Si puede entrar en la energía cinética de la partícula alfa (otra ciencia ficción, $\approx$ 30%-60% o la efectividad es realista), entonces podemos calcular la velocidad de escape de las partículas alfa. esta en el orden de $c$ , tal vez 0.1c más o menos.
@tfb Tal vez un poco de magia QFT incondicional, extendida con control de los campos a nivel nano, podría mejorarlo. Obviamente, no podemos hacer un Maxwell-daemon con QFT, pero tal vez con campos controlados a nivel nanométrico, sería posible que convirtiéramos $D_2$ rápido, unidireccional $He_4$ radiación. El desarrollo de la máquina probablemente requeriría computadoras cuánticas. La nave espacial aún requeriría algunos siglos para llegar a Alpha Centauri.
@tfb lo calculé, la velocidad de escape sería relativista, $\approx 0.7c$
@peterh-ReinstateMonica: gracias. Se está quejando de los comentarios hacia mí, pero si hiciera una pregunta sobre esto, ¿me daría una respuesta? Me doy cuenta de que es una cosa bastante de ciencia ficción, pero parece que podría estar en el tema.

usuario21103 · Answer 1

En primer lugar, estamos lo suficientemente seguros de que la relatividad especial es correcta y sabemos que no tendríamos que preocuparnos por la velocidad como tal: todos viajan todo el tiempo a cualquier velocidad que desee menos que $c$ relativo a algo , y no todos explotamos ni morimos ni nada. También sabemos cómo tratar los problemas relacionados con la comunicación. Todo esto es física muy bien probada.

Golpear cosas

Con lo que ciertamente tendría que lidiar es con el problema de la nave espacial que se encuentra con la basura en el espacio (polvo, gas) que está más o menos estacionaria en el marco del Sol, digamos, pero mucho menos estacionaria en su marco. Si golpeas algo con una masa de $.01\,\mathrm{g}$ entonces se va a volcar $5\times 10^7 \,\mathrm{J}$ de energía en ti. Hago que el equivalente de aproximadamente $10\,\mathrm{kg}$ de TNT. Este es probablemente un problema importante para cualquier vehículo que tenga la intención de viajar a una fracción significativa de $c$ : los impactos en las naves espaciales ya son un problema, y empeoran con el cuadrado de la velocidad: cuando la propia nave espacial viaja a una fracción significativa de la velocidad de la luz, casi todo lo que golpea viaja a una fracción significativa de la velocidad de la luz. luz. Esto es un problema tanto para los viajes interestelares como para los viajes interplanetarios: tal vez haya menos cosas, pero estás ahí afuera por más tiempo.

¿Por qué todo esto es absurdo?

Aunque la persona que hace la pregunta parece haber cambiado repetidamente lo que realmente le interesa en los comentarios, parece que está interesado en probar cosas en la Tierra para su uso en viajes interplanetarios (no interestelares). En las siguientes dos secciones, mostraré por qué no es posible probar tal cosa en la Tierra, y por qué velocidades tan altas no son prácticas para los viajes interplanetarios.

Dado que las velocidades máximas aquí son solo el 1% de la velocidad de la luz, haré todos los cálculos sin correcciones relativistas: habrá algunas, pero serán pequeñas. Generalmente también estoy redondeando a 3 cifras significativas, aunque algunos de los valores son probablemente menos precisos que eso: si asumes $\approx$ cada vez que tengo $=$ probablemente sea seguro. No he citado valores para constantes como $c$ & $g$ , pero son los de siempre.

Probar en la Tierra es absurdo

Para probar algo como esto en la Tierra, necesitaríamos acelerar algún objeto masivo para $v_\text{max} = 0.01c$ . Hay dos formas en las que podríamos hacer esto: en un tubo recto y en algún anillo.

Hay un tubo recto más largo que podemos hacer debido a la curvatura de la Tierra: digamos que tiene $l = 100\,\text{miles} = 1.61\times 10^5\,\mathrm{m}$ . Ahora podemos calcular fácilmente la aceleración más pequeña (este es simplemente el caso donde la aceleración es constante) necesaria para lograr un determinado $v_\text{max}$ a lo largo de tal tubo, que es:

a = {\begin{cases} \frac{v_{máximo}^{2}}{yo} & el objeto se ralentiza de nuevo \\ \frac{v_{máximo}^{2}}{2 yo} & Se permite que el objeto golpee el extremo del tubo. \end{cases}

$a = \begin{cases} \frac{v^2_\text{max}}{l} &\text{object slows down again}\\ \frac{v^2_\text{max}}{2l} &\text{object allowed to hit end of tube} \end{cases}$

y dado $v_\text{max} = 3\times 10^6\,\mathrm{ms^{-1}}$ , obtenemos, para el primer caso, $a = 5.59\times 10^7\,\mathrm{ms^{-2}} = 5.71\times 10^6\,g$ , y por el segundo $a = 2.80\times 10^7\,\mathrm{ms^{-2}} = 2.85\times 10^6\,g$ .

Para ambos casos los experimentos durarían centésimas de segundo.

Si el objeto acelerado tuviera una masa de $1\,\mathrm{kg}$ , la energía requerida sería $1.5 \times 10^{12}\,\mathrm{J}$ : esto equivale aproximadamente a 359 toneladas de TNT: es el valor de un arma nuclear bastante pequeña. En el caso de que el objeto golpee el extremo del tubo, todo se liberará en ese punto.

Es poco probable que experimentos como este sean útiles para probar algo: las condiciones son tan extremas que, si bien es posible diseñar componentes electrónicos que sobrevivan a la versión en la que el objeto se ralentiza nuevamente, dichos componentes electrónicos serían completamente diferentes a cualquier cosa en una nave espacial.

La segunda versión es probar un objeto que se está ejecutando alrededor de un anillo. Bueno, ¿cuál es el anillo más grande que podríamos construir en la Tierra? Es un anillo que corre alrededor del ecuador, con un radio $R = 3.38\times 10^6\,\mathrm{m}$ . Entonces, ahora podemos calcular fácilmente la aceleración que siente un objeto que corre alrededor de dicho anillo:

\begin{aligned} a & = \frac{v_{máximo}^{2}}{R} \\ = \frac{9 \times 10^{12}}{6.38 \times 10^{6}} metro s^{- 2} \\ = 1.41 \times 10^{6} metro s^{- 2} \\ = 1.44 \times 10^{5} gramo \end{aligned}

$\begin{align} a &= \frac{v^2_\text{max}}{R}\\ &= \frac{9\times 10^{12}}{6.38\times 10^6}\,\mathrm{ms^{-2}}\\ &= 1.41\times 10^6\,\mathrm{ms^{-2}}\\ &= 1.44\times 10^5\,g \end{align}$

Así que esto es mejor: ahora solo necesitamos diseñar componentes electrónicos que puedan sobrevivir a cientos de miles de gravedades. También tenemos el pequeño problema de construir un tubo de vacío alrededor del ecuador y de alguna manera dirigir algún objeto macroscópico a su alrededor (realmente, no tengo ni idea de cómo se hace eso: el enfoque utilizado para las partículas cargadas en los aceleradores de partículas definitivamente no funcionará). trabajar).

Este es el tipo de cosas que los ingenieros del mundo del anillo podrían considerar: no es el tipo de cosas que los humanos van a hacer en el corto plazo.

E, incluso si pudiera hacer esto, todavía no tiene ninguna relación con el tipo de condiciones en una nave espacial: la electrónica será completamente diferente y las aceleraciones involucradas son cientos de miles a millones de veces mayores que lo que puede sobrevivir un ser humano. .

Entonces, incluso si pudiéramos hacer este tipo de experimento en la Tierra, sería completamente inútil para el diseño de naves espaciales. Algunas cosas solo se pueden hacer en el espacio, y esta es una de ellas.

Velocidades tan altas para viajes interplanetarios no son prácticas

Entonces, veamos qué tipo de viaje interplanetario (a diferencia del interestelar) podría implicar velocidades tan altas. Podemos usar las mismas ecuaciones que usamos antes para calcular la aceleración mínima involucrada para un viaje de una longitud dada. Asumiré aquí que al final del viaje quieres detenerte, porque si no quieres detenerte, definitivamente estás hablando de la fase de aceleración del viaje interestelar. Y podemos tratar todas las velocidades orbitales aburridas como cero, ya que todas son muy pequeñas en comparación con las velocidades que nos interesan.

Tomaremos $v_\text{max} = 3\times 10^6\,\mathrm{ms^{-1}}$ de nuevo, y esta vez $d = 5\,\mathrm{AU} = 7.48\times 10^{11}\,\mathrm{m}$ . Esto es tan lejos como Júpiter.

\begin{aligned} a & = \frac{v_{máximo}^{2}}{d} \\ = \frac{9 \times 10^{12}}{7.48 \times 10^{11}} metro s^{- 2} \\ = 12.0 metro s^{- 2} \\ = 1.23 gramo \end{aligned}

$\begin{align} a &= \frac{v^2_\text{max}}{d}\\ &= \frac{9\times 10^{12}}{7.48\times 10^{11}}\,\mathrm{ms^{-2}}\\ &= 12.0\,\mathrm{ms^{-2}}\\ &= 1.23\,g \end{align}$

Entonces, para un viaje a Júpiter durante el cual acelera la mitad del viaje y desacelera el resto, esto es habitable. Para algo más corto que eso, rápidamente se vuelve insuperable (un viaje a Marte sería algo así como $5\,g$ hasta el final, lo que casi con certeza mataría a la tripulación, creo).

Bueno, Júpiter es un lugar interesante para visitar, así que está bien. ¿Qué tipo de nave espacial necesitaríamos?

Pues la primera opción es una vela ligera . Digamos que la nave espacial pesa $1000\,\mathrm{kg}$ y la vela es un reflector perfecto y no pesa nada. ¿Qué tan grande tiene que ser? La presión sobre la vela debido a la luz en el radio orbital de la Tierra es $P = 2\times 1360/c\,\mathrm{Pa} = 9.07\times 10^{-6}\,\mathrm{Pa}$ .

Vamos a Júpiter así que necesitamos $a = 12.0\,\mathrm{ms^{-2}}$ . $F = ma = PA$ entonces $A = ma/P$ , dónde $A$ es área de vela. Conectando los números que obtenemos

\begin{aligned} A & = \frac{metro a}{PAG} \\ = \frac{1000 \times 12.0}{9.07 \times 10^{- 6}} {metro}^{2} \\ = 1.32 \times 10^{9} {metro}^{2} \end{aligned}

$\begin{align} A &= \frac{ma}{P}\\ &= \frac{1000\times 12.0}{9.07\times 10^{-6}}\,\mathrm{m^2}\\ &= 1.32 \times 10^9\,\mathrm{m^2} \end{align}$

Si la vela es cuadrada, se trata de $36\,\mathrm{km}$ en un lado. Tiene que ser más grande que esto, por supuesto, porque quieres mantener la aceleración más allá de la órbita de la Tierra.

Entonces, tal vez esto sea factible: es enorme pero no es absurdo (sin embargo, es mejor asegurarse de no usarlo para enfocar la luz reflejada en nada: se trata de una prueba Trinity de cada minuto de energía).

Excepto... no puedes parar. No tenemos un segundo Sol conveniente, así que cuando llegas a la mitad del camino y quieres dar la vuelta, no puedes. Esta cosa es el ejemplo canónico de la etapa de aceleración de un viaje interestelar. Por lo tanto, no es útil para viajes interplanetarios con velocidades tan altas (las velas ligeras son potencialmente útiles para velocidades mucho más bajas en las que puede confiar en que el objeto objetivo lo capturará, desafortunadamente) $0.01c$ es mucho mayor que la velocidad de escape de cualquier planeta).

Entonces, ¿qué pasa con los cohetes . Bueno, ahora podemos usar la ecuación del cohete:

Δ v = v_{mi} en (\frac{{metro}_{0}}{{metro}_{F}})

$\Delta v = v_e \ln\left(\frac{m_0}{m_f}\right)$

o

{metro}_{0} = {metro}_{F} {mi}^{\frac{Δ v}{v_{mi}}}

$m_0 = m_f e^{\frac{\Delta v}{v_e}}$

Dónde

$m_0$ es la masa de lanzamiento;
$m_f$ es la masa final que tomaremos como $1000\,\mathrm{kg}$
$\Delta v$ es el cambio total en la velocidad, que tomaremos como $c/50 = 6\times 10^6\,\mathrm{ms^{-1}}$ , ya que desea detenerse en el destino;
$v_e$ es la velocidad de escape.

Así que asumiré una unidad de iones super-duper que:

tienen suficiente empuje (no lo tienen);
tener $v_e = 5\times 10^5\,\mathrm{ms^{-1}}$ , aproximadamente 5 veces mejor que cualquier cosa que yo sepa.

Así que ahora, podemos conectar estos números y obtenemos

\begin{aligned} {metro}_{0} & = {metro}_{F} {mi}^{\frac{Δ v}{v_{mi}}} \\ = 1000 \times {mi}^{\frac{6 \times 10^{6}}{5 \times 10^{5}}} k gramo \\ = 1000 \times {mi}^{12} k gramo \\ = 1.63 \times 10^{8} k gramo \\ = 163 \times 10^{3} toneladas \end{aligned}

$\begin{align} m_0 &= m_f e^{\frac{\Delta v}{v_e}}\\ &= 1000\times e^\frac{6\times 10^6}{5\times 10^5}\,\mathrm{kg}\\ &= 1000 \times e^{12}\,\mathrm{kg}\\ &= 1.63\times 10^8\,\mathrm{kg}\\ &= 163\times 10^3\,\text{tonnes} \end{align}$

Esto es menos del doble de la masa de un portaaviones grande.

Y esto es para un viaje de ida: si quieres volver necesitas llevar esa masa hasta el otro extremo. Y eso significa que necesita una masa de lanzamiento de $m_0 = 2.65 \times 10^{13}\,\mathrm{kg}$ . Esto sigue siendo luz en comparación con la Luna, afortunadamente.

Hay ideas para unidades con mayor $v_e$ que esto, pero cada vez son más dispositivos de ciencia ficción. Incluso una unidad de iones de alto empuje es bastante ciencia ficción: casi con certeza, incluso si fuera posible, requeriría un reactor de fusión para alimentarlo, y esos aún no existen, y mucho menos los que podemos poner en naves espaciales. Los problemas de disipación de calor también serían formidables.

Por lo tanto, ningún tipo plausible de propulsión alcanzará estas velocidades para viajes interplanetarios: solo son interesantes para viajes interestelares, actualmente solo con velas ligeras de algún tipo.

Otras confusiones

Una cosa que le interesaba a la persona que hacía la pregunta era la orientación: cómo se dirige una nave espacial que viaja a $v\approx 0.01c$ . Esto no es un problema: si tiene un sistema de propulsión que lo acelerará a este tipo de velocidad, también tiene uno que cambiará su rumbo cuando viaje a esta velocidad. El problema es tener un sistema de propulsión que te lleve a $0.01c$ en primer lugar.

Conclusión

viajar en $v\approx 0.01c$ es extremadamente poco práctico para viajes interplanetarios: no se puede sobrevivir en viajes cortos y los requisitos de combustible son absurdos para todos los viajes. Probar tal sistema en la Tierra es completamente absurdo. Esto parece ser un caso de demasiada ciencia ficción combinada con ninguna intuición real sobre qué tan rápido $0.01c$ es decir, cuánta energía se requiere para alcanzar ese tipo de velocidad y las implicaciones de la ecuación del cohete.

No se trata de relatividad especial. Se trata de colisiones y otras cosas quizás inesperadas.
@releseabe: entonces tu pregunta no tiene sentido. No vas a aprender nada sobre colisiones mediante pruebas en un ciclotrón o en la Tierra. Y si lees mi respuesta, verás que la mayor parte... se trata de colisiones.
Pero hay docenas de otras cosas además de las colisiones que deben probarse cuando una nave se mueve tan rápido que las reacciones humanas no sirven de nada. ¿Cómo se dirige, se frena? ¿Cómo interactúa, quizás, con otras naves? En pocas palabras, si realmente estuviéramos planeando naves muy rápidas, sería una locura no hacer muchas pruebas en la Tierra si es posible hacerlo.
@releseabe: No puedo entender por qué estás confundido, pero es algo. Sabemos cómo dirigir y reducir la velocidad de una nave espacial: nada cambia (excepto que necesita cantidades absurdas de combustible para reducir la velocidad). Los astronautas no manejan naves espaciales mirando por las ventanas y confiando en que su tiempo de reacción sea lo suficientemente bueno para evitar obstáculos: las computadoras los manejan. Finalmente, ningún experimento que puedas hacer en la Tierra involucra aceleraciones menores a decenas o cientos de miles de gravedades: estas son cosas que solo puedes probar en el espacio.
wow, ¿sabemos cómo dirigir la nave espacial 1% c? seguro que no sabia eso de hecho, eso es casi seguro que está mal.
@releseabe: lo hacemos, sí. La física es algo maravilloso en ese sentido: los motores de reacción funcionan a cualquier velocidad. No voy a responder más, ya que no creo que pueda explicar lo que sea que te confunda.
Esta es la respuesta, básicamente diciendo que no hay una buena manera en la Tierra de hacer pruebas que involucren las velocidades que esperamos alcanzar en el espacio; la única prueba que se puede hacer sería en el espacio mismo, por supuesto, más cerca de la Tierra.

UH oh · Answer 2

No.

Velocidad

No creo que haya nada sobre la velocidad que deba probarse. Cada vez que probamos experimentalmente la teoría de la relatividad especial o general, obtenemos resultados que coinciden perfectamente. Como punto de referencia, la velocidad máxima de la nave espacial diseñada es del 0,1 %. $c$ , y esa es la sonda solar Parker . Para más información, vea la sonda solar Parker pasando extremadamente cerca del Sol; ¿Qué efectos relativistas experimentará y qué tan grandes serán?

En lo que respecta a las comunicaciones, no puedo imaginar nada que deba probarse a una velocidad tan alta. El efecto Doppler regular y el efecto Doppler relativista se comprenden bien, y no debería haber ningún desafío para construir transmisores y receptores para los corrimientos hacia el rojo esperados del vuelo relativista. Consulte las respuestas a los efectos relativistas en las comunicaciones de las misiones espaciales para obtener más información.

¡El hecho de que "no debería haber" no significa que alguien no cometerá un error!

Del artículo de The Space Review:

La combinación de la tremenda velocidad de Cassini y la brusca desaceleración de la resistencia aerodinámica de la sonda Huygens crea un cambio Doppler significativo en las señales de la sonda vistas desde Cassini (el cambio de velocidad esperado de Huygens-Cassini habría sido de hasta 5,5 km/s). Los ingenieros de Alenia Spazio, la empresa italiana que construyó el enlace de radio, anticiparon adecuadamente la necesidad de un ancho de banda de receptor adecuado para acomodar el cambio de frecuencia.

[...] Aquí estaba la falla crucial. El cambio Doppler no solo cambió la frecuencia de la señal entrante, sino que también la comprimió en un período de tiempo ligeramente más corto. Como resultado, el receptor de Cassini no habría podido reconocer el pulso de sincronización en su ubicación esperada y, por lo tanto, el flujo de datos entrante se volvería ilegible.

Aceleración

¡La aceleración es otra cuestión completamente diferente! Si proporciona significativamente menos de 1 g, entonces hay efectos en la salud; el tiempo más largo que un astronauta ha vivido en microgravedad a la vez es un poco más de un año, por lo que deberá proporcionar algo para mantenerlos saludables en un viaje largo, y es posible que su propulsión no sea lo suficientemente fuerte como para hacerlo. Si es así, llegarás a 0,1. $c$ en un mes y luego que?

Si su aceleración es aún más fuerte y somete a su tripulación a mucho más de 1 g, entonces puede haber efectos en la salud relacionados con la exposición a largo plazo a una aceleración mejorada. Pero eso definitivamente podría probarse con centrífugas razonablemente construidas.

Supongo y, de hecho, he leído que se debe tener mucho en cuenta cuando se viaja tan rápido y una gran preocupación es golpear rocas pequeñas en el espacio. Por lo tanto, cualquier sistema para lidiar con tales rocas (campo magnético o campo de plasma) debería probarse de la manera más realista posible.
@releseabe ahora que es un punto excelente! Ciertamente, las naves espaciales son golpeadas por meteoritos todo el tiempo a 0.01 $c$ (alrededor de 30 km/s), pero esas pruebas se pueden hacer y se hacen acelerando solo las partículas diminutas a altas velocidades, en lugar de "un objeto de masa de varios kg que se mueve, digamos, al 1 % de 𝑐, especialmente si pudiéramos colocar un animal en tal oficio?" Otras personas pueden continuar publicando respuestas aquí sobre la aceleración de una nave, pero ¿por qué no continúas y publicas una segunda pregunta sobre la aceleración de pequeñas partículas de polvo a velocidades relativistas?
@releseabe ¡Eso es algo mucho más factible, y esas colisiones son casi imposibles de simular con precisión y requerirán mucha experimentación!

antonio stevens · Answer 3

Llegar a altas velocidades es realmente muy simple. No hay mucha diferencia entre las fases anterior y posterior de, por ejemplo, alcanzar la mitad de la velocidad de la luz.

Es el factor tiempo. Incluso con un gran empuje, puede llevar mucho tiempo. Vidas con la tecnología actual.

Supongo que alcanzar las altas velocidades si eso es todo lo que le preocupa a uno sería bastante sencillo. Pero la dirección, la desaceleración, el manejo de obstáculos, especialmente a 0,5 c, tendrían problemas casi inimaginables. Un objeto hecho por el hombre que va miles de veces más rápido que lo que tenemos ahora, simplemente alucinante.
Volver a llegar a altas velocidades es realmente muy simple. Esto es incorrecto. Es muy, muy duro. Lee sobre la ecuación del cohete ideal.

Antes de poner una nave espacial en una trayectoria que vaya a una fracción significativa de la velocidad de la luz, ¿habría que probar algunas cosas en la Tierra?

liberar

Mármol Orgánico

liberar

david hamen

UH oh

liberar

steve linton

david hamen

david hamen

usuario21103

Pedro

Pedro

usuario21103

Pedro

usuario21103

Pedro

Pedro

Pedro

usuario21103

Respuestas (3)

usuario21103

Golpear cosas

¿Por qué todo esto es absurdo?

Probar en la Tierra es absurdo

Velocidades tan altas para viajes interplanetarios no son prácticas

Otras confusiones

Conclusión

liberar

usuario21103

liberar

usuario21103

liberar

usuario21103

liberar

UH oh

Velocidad

Aceleración

liberar

UH oh

UH oh

antonio stevens

liberar

david hamen