Te encontre una luna: mimas

Como no podía dormir, pensé en hacer algunos cálculos, así que aquí va:

Radius_Mars = 3390 * 10^3   %in meter
Thickness_Atm = 66 *10^3    %Earth atomosphere is about 100km, took 2/3 for 
mars in meters
Volume_Atm = 4/3*pi*(Radius_Mars+Thickness_Atm)^3 - 4/3*pi*Radius_Mars^3;   
Volume_Atm = 9.7E18 m^3
Air_Density = 1.2 %kg/m^3
Needed_Mass = 0.3*Air_Density*Volume_Atm;   %3.4E18 kg
Needed_Mass = 3.4E18 kg

Entonces, necesita una masa de 3.4E18 kg para disparar desde alguna luna (según wiki , los astroides en el cinturón son principalmente del tipo C, S y M, por lo que no son adecuados), así que encuentre una luna helada con la gravedad más baja. Parecería que Mimas que orbita Saturno es principalmente hielo y tiene una superficie tan pequeña como España. La masa de Mimas es 3.7E19 kg, por lo que solo es un orden de magnitud mayor. Entonces, en lugar de tener que lidiar con la velocidad de escape, simplemente muévase de la luna completa a Marte, solo se convertirá en una cuestión de qué tan rápido lo quiere.

Entonces, si tiene paciencia durante 10 años, debe mover la distancia intermedia entre Saturno y Marte, que es aproximadamente 1.2E9 km. Entonces, su velocidad promedio, teniendo en cuenta que necesita desacelerar por el mismo tiempo, debería ser

 average velocity = 1.2E12/31E7 = 3834 m/s

Entonces, para calcular la energía, solo use la fórmula para la energía cinética.

 energy = 1/2*m*v^2

Entonces la energía necesaria se convierte en:

 energy = 1/2*3.7E19*3834^2 = 2.719E26 J

Para ponerlo en perspectiva, si aprovecha toda la radiación solar que cae sobre la tierra, necesitaría cosecharla con una eficiencia del 100% durante 12,4 años para obtener la energía requerida. Así que supongo que no moveremos planetas pronto :D.

Ya que es tarde, podría ser bueno verificar los números.

Un prefacio importante: sin un período de tiempo establecido para realizar esta tarea, no se puede calcular el costo de la energía .

Voy a hacer suposiciones sobre el tiempo.

Datos reales actuales de Marte. https://nssdc.gsfc.nasa.gov/planetary/factsheet/marsfact.html

Atmósfera

Presión superficial: 6,36 mb en el radio medio (variable de 4,0 a 8,7 mb dependiendo de la estación)
[6,9 mb a 9 mb (sitio de Viking 1 Lander)] Masa total de la atmósfera: ~2,5 x 1016 kg

• 1 mb = 0,1 kPa. 6,36 mb = 0,636 Kpa.
• El Marte propuesto por OP tiene una presión de aire de 10 kPa. 10 / 0,636 = 15,7. La masa total de la atmósfera ha aumentado 15,7 veces.
• La masa total actual de la atmósfera es (2,5 x 1016) x 15,7 = 3,92 x 10 ¹⁷ kg.
• Pide aumentar la presión atmosférica 40 kPa más (hasta un total de 50 kPa). Nota: agregar masa de gas podría no convertirse limpiamente en aumentar la presión, pero lo asumiremos.
  Quiere sumar 4 veces la masa atmosférica actual a la masa atmosférica actual.
• Quiere 4 x (3,92 x 10 ¹⁷ kg) = 15,7 x 10 ¹⁷ kg o 1,57 x 10 ¹⁸ kg de gasolina.

Como referencia, consideremos lo que se necesitaría para importar tanta masa de la Tierra. Sé que las condiciones del OP descartan la Tierra, pero esto dará una idea de la escala de estos enormes números.
https://www.space.com/24701-how-time-does-it-take-to-get-to-mars.html Supondremos que la distancia entre la Tierra y Marte es de 225 millones de km. Permitiremos que un año tranquilo atraviese esta distancia.
225.000.000 km/año son 7134 metros/segundo. ¡Es genial que Google haga cálculos así por ti!

Nuevamente para escalar las cosas: esto es 25684 km/hora. Ese es un buen clip, pero la sonda New Horizons (desde el enlace de arriba) fue el doble de rápido, así que está bien.

Energía cinética = 1/2 * masa * velocidad ^ 2, donde la energía cinética está en julios, la masa está en kilogramos y la velocidad está en metros por segundo

Los julios: velocidad en m/s^2 = 7134^2. = 50893956
Masa movida (desde arriba) = 1,57 x 10 ¹⁸ kg
1,57 x 1018 kg x 50893956 = 7,9903511e+25.

Dividido por 2 = 3,9951755e+25 julios para mover la masa requerida de la Tierra a Marte durante 1 año.

Por supuesto, uno debe desacelerar esta masa cuando llegue a Marte, a menos que tenga algún plan para desacelerarla de forma gratuita embistiendo la masa contra la superficie. Lo que podría tener ramificaciones, por así decirlo. La energía que pones para acelerarla la debes volver a poner para ralentizarla: x 2, que afortunadamente ya está hecha: 7,9903511e+25 julios.

Sería energéticamente más costoso hacerlo más rápido (porque uno debe acelerar a una velocidad mayor) y menos costoso hacerlo más lento. Si se mueve la masa desde una distancia más lejana (por ejemplo, Titán), sucede lo mismo: costaría la misma energía que moverla desde la Tierra, pero tomaría más tiempo o costaría más energía atravesar la mayor distancia a la misma velocidad. Sin un período de tiempo establecido para realizar esta tarea, no se puede calcular el costo de energía de la tarea .

Consideración de una alternativa: esta sociedad debe tener un tope métrico de energía disponible para considerar tal esfuerzo. Desde mi punto de vista, esta sociedad tiene energía ilimitada. Tal vez aprovechan las fuerzas de Casimir o son maestros de la fusión. Mover masa sería un truco con potencial de desastre en muchos pasos del camino. La logística de reunir tanta masa en su origen, mantenerla unida en el camino y desacelerarla hacia Marte es abrumadora.

En cambio, ¿qué tal usar esa energía libre para hacer la masa en el sitio?

¿Cuánta energía hay en esa cantidad de masa? ¡Dulces calculadoras en línea! http://www.wolframalpha.com/widgets/view.jsp?id=b3aa19fe9dc706a3b4cdaa8ddb37d852 1,57 x 10 ¹⁸ kg se convierte en 1,411 x 10 ³⁵ julios.

Verificando dos veces con esta calculadora http://www.1728.org/einstein.htm obtengo 1.348e+35 en esa cantidad de masa.

Por escala, el sol emite 3.725e+26 julios/segundo. Hacer la masa requerida utilizando toda la producción de energía del sol tomaría 361879194 segundos o 11,4 años. Dependiendo de cómo funcione su fuente de energía, podría instalar plantas de generación en masa en Marte y dejarlas consumir.

Por supuesto, si quieres ponerte súper quisquilloso, estos números asumen que la nueva atmósfera marciana tiene la misma composición de gas y, por lo tanto, el mismo peso en kg que la atmósfera marciana real existente, que es principalmente CO2. No se especifica en el OP de qué está hecha la nueva atmósfera marciana: a 10 kPa y 50% de O2 hay un 50% de algo más que debe ser CO2. (Estarías respirando muy fuerte en esa atmósfera y sentirías como si hubieras eructado Coca-Cola en tu nariz).

• Todos los gases tienen el mismo volumen.
• Toda la atmósfera de CO2 (el actual Marte real) sería gas de 44 g/mol.
• La atmósfera de N2 importada o creada sería de 28 g/mol de gas. Eso es 0.63 la masa que usé arriba. Aquellos que estén muy interesados ​​pueden multiplicar en consecuencia para obtener nuevos números.
• Podría hacer (pero probablemente no encontrar e importar) una atmósfera de neón con el 71% de la masa de su atmósfera de nitrógeno diatómico. Eso sería 0.45 de la masa que usé arriba para los cálculos. ¡Así que solo 4,5 años para producir con su energía en fábricas masivas!

Consideraría seriamente los asteroides del cinturón principal. Delta V desde la transferencia de Marte a la órbita de transferencia de Ceres es de 1,3 km/s. No deberías necesitar ir a un asteroide del tamaño de Ceres y arrojarás pequeños trozos que se quemarán en la atmósfera, por lo que no necesitarás ralentizar nada.

Digamos que disparas trozos de 1 kg de 0 a 1300 m/s en 1 segundo.

Esto toma 650 metros (d = 1/2*a*t^2).

La energía es kg* m^2 / s^2 o kg * metros * a

así que esto es 845000 julios por kg (puede cambiar el tiempo o la aceleración solo para obtener ese delta v y la energía no cambiará. Llamemos a eso 1 x 10 ^ 6 porque nuestro asteroide tiene algo de gravedad.

Alguien más inteligente que yo dijo que estás buscando ~2 x 10 ^18 kg. La masa total del cinturón de asteroides es de 3 x 10 ^ 21 kg, por lo que tiene sentido para mí.

Necesita 2 x 10 ^ 24 julios o 2 x 10 ^ 21 KJ.

"La planta de energía nuclear de Palo Verde en Arizona es la planta de energía nuclear más grande de los Estados Unidos con tres reactores y una capacidad total de generación de electricidad de aproximadamente 3937 MW".

y 1MWh = 3,6 x 10^6 KJ

Entonces, 555,5 x 10^12 MWh son 1000 Palo Verde funcionando al máximo durante 141 millones de horas (16000 años).

Eso es un poco decepcionante, pero tal vez su lanzador podría usar Ceres como asistencia de gravedad. Si pudiera obtener el delta v a más de 300 m / s, eso lo reduce a 7 millones de horas (800 años).

Entonces, las otras respuestas han establecido que no es fácil mover grandes cantidades de masa alrededor del sistema solar. ¿Por qué no tratar de resolver el problema como lo hace la NASA?

Haciendo aire fino de rocas

En una inversión del típico "hacer que las cosas aparezcan de la nada", un ingenioso proceso químico permite la producción de aire fino a partir de rocas. Específicamente, una versión modificada del proceso Fray-Farthing-Chen (FFC) toma óxidos metálicos como el dióxido de titanio, el óxido de magnesio o el óxido de sodio y separa los dos elementos. Esto se propuso por primera vez en 2000 e inmediatamente obtuvo un artículo de Nature . Aunque originalmente se diseñó para la producción de metales de alta pureza, este proceso llamó mucho la atención a fines de la década del 2000 cuando la NASA y otros se dieron cuenta de que podría usarse para producir oxígeno a partir del regolito lunar . Esto se conoce como "Utilización de recursos in situ" (ISRU), y la NASA ha invertido bastante dinerohacia la determinación de la viabilidad.

Específicamente, el proceso Ilmenox utiliza un reactor especialmente diseñado que extrae el oxígeno de los otros elementos en el regolito lunar o marciano y lo libera a la atmósfera .

Para citar el artículo de phys.org que resume este desarrollo,

Basándose en experimentos con una roca lunar simulada desarrollada por la NASA, los investigadores calculan que tres reactores de un metro de altura podrían generar una tonelada de oxígeno al año en la Luna. Cada tonelada de oxígeno requeriría tres toneladas de roca para producir. Fray señaló que tres reactores requerirían alrededor de 4,5 kilovatios de energía, que podrían ser suministrados por paneles solares o posiblemente por un pequeño reactor nuclear en la Luna. Los investigadores también están trabajando con la Agencia Espacial Europea en el desarrollo de un reactor aún más grande que podría operarse de forma remota.

Entonces, para resumir: podemos usar reactores de 4,5 kilovatios para producir oxígeno (o dióxido de carbono) a partir de rocas lunares. El retorno de esto es algo así como 1.000 kg de oxígeno por año. Así que nuestra conversión de energía es

Tomando prestada la excelente respuesta de WillK, necesitamos algo así como 1,57 x 10 ¹⁸ kg de gasolina. Para sintetizar todo eso de novo , necesitaremos 2,23 x 10 ²⁶ julios de energía . Curiosamente, eso está en el mismo estadio que las otras respuestas, ¡genial! Sin embargo, argumentaré que mi método sigue siendo superior por varias razones.

Razón #1: Progreso controlado

Como señalan muchas de las otras respuestas, la mitad de su costo de energía proviene de ralentizar lo que sea que le estén lanzando. Con este método, el proceso se controla de principio a fin: aumente o disminuya la producción según sea necesario. Para poner ese número en contexto, echemos un vistazo a la página de Wikipedia favorita de todos :

• Si esto se hizo con los combustibles fósiles tradicionales, podemos esperar 10 000 años si usamos todos los combustibles fósiles en la Tierra cada año: reserva de combustibles fósiles a partir de 2010 = 3,9 × 10 ²² J
• Si se hace con tecnología nuclear, como propone su pregunta, podemos esperar que tome más de 1,000 años, si usamos todo el uranio en la Tierra cada año: recursos globales de uranio-238 = 2.2 × 10 ²³ J
• Si cubrimos Marte con paneles solares, podemos esperar terminar en unos 100 años: energía total recibida por Marte del Sol.$\approx$6,6x10 16W ^_
• Si cubrimos el Sol con paneles solares , terminamos en un segundo: salida solar = 3,8×10 ²⁶ W

Razón #2: En realidad estamos produciendo un gas

La mayoría de las otras respuestas arrojaron algo como una pequeña luna o un montón de rocas a Marte y lo llamaron un día. Eso... ¿no es una atmósfera? ¿Tampoco es especialmente amable con los habitantes? En cambio, con este método, estamos produciendo gases atmosféricos en cualquier mezcla de dióxido de carbono y oxígeno que nos gustaría, lo que nos permite encontrar un buen equilibrio entre fotótrofos y heterótrofos a medida que continuamos terraformando el lugar. A menos que las otras respuestas logren encontrar un objeto extraterrestre hecho en gran parte de nitrógeno o neón, contra todas las composiciones corporales extraterrestres tradicionales que hemos encontrado hasta ahora, todo lo que harán es agregar más rocas al lugar, en su mayoría silicatos y óxidos metálicos. .

Razón #3: Abundantes metales de alta pureza como efecto secundario

"Pero espera", dices, "¿qué pasa con todos los productos secundarios del proceso FFC?" Bueno, estoy muy contento de que hayas preguntado. Como se señaló anteriormente, este proceso se usa tradicionalmente para producir metales de alta pureza eliminando el oxígeno de los óxidos metálicos. Ahora que hemos invertido los roles, estos metales son esencialmente "material de desecho". Supongo que tendremos que hacer edificios realmente geniales con ellos.

Desafortunadamente, los únicos gases que puedes poner con seguridad en la atmósfera de un cuerpo terraformado son oxígeno y nitrógeno.

La Tierra está fuera, por lo que la única otra fuente factible de nitrógeno es Titán (a menos que tenga una forma económica de instaurar un ciclo CNO parcial y tenga suficiente fuente de carbono o dióxido de carbono y energía).

El nitrógeno en Titán, o cualquier pozo de gravedad significativo fuera de Marte, posee mucha más energía potencial de la que es factible liberar en el planeta rojo. La forma más sencilla de entregar el nitrógeno, es decir, sobreenfriarlo en misiles congelados y dispararlos a Marte usando aceleradores lineales, dará como resultado aún más energía. Los misiles congelados se quemarán y se desintegrarán en la atmósfera marciana, pero también la calentarán (y, no mucho después, el suelo) demasiado.

La entrega de mercancías mediante accionamientos a reacción es inviable por la misma razón. Cada kilogramo a nivel del suelo de Marte costaría demasiado en calor residual y/o contaminación ambiental.

Los impulsores de gravedad sin inercia, por supuesto, resolverían este problema, pero no son tecnología actual; ni siquiera a la vista.

Es casi seguro que lo que sigue no es factible, pero debido a restricciones logísticas y económicas, no a limitaciones tecnológicas.

Etapa uno: construir una base en Titán, instalar un lanzador (en realidad, muchos lanzadores).

La base de Titán enviará proyectiles a una órbita de transferencia Hohmann , suministrando la primera parte del delta-V requerido. Eso te costará alrededor de 11 MJ/kg más otros 3,48 MJ/kg de velocidad de escape.

El lanzador podría instalarse en un skyhook en Titán para reducir la segunda parte de esos costos.

Un proyectil es solo una capa aislante sobre una tonelada de nitrógeno sólido sobreenfriado, más una baliza alimentada por energía solar, y llegará a Marte después de 5 a 18 años, dependiendo de las posiciones de los planetas. No tiene capacidad de maniobra.

Etapa dos: construir el "receptor" (o un bosque de ellos) en órbita alrededor de Marte.

El receptor tendrá que neutralizar la energía cinética del proyectil entrante mediante el frenado electromagnético. Necesitará un mínimo de alrededor de 28,5 MJ/kg para eso. Esto también determinará una alteración en la órbita del receptor. Para equilibrar eso, será necesario instalar algún tipo de propulsor, tal vez un motor de iones. Tal vez podríamos usar Phobos como una estación de paso, pero eso nos limitaría a una estación de paso, restringiendo tanto la cantidad de ventanas de captura como el tamaño de la volea.

Otra posibilidad podría ser arponear el proyectil entrante (se moverá a unos 7500 m/s) y desacelerar con un carrete de dinamo. Eso permitiría recuperar la mayor parte de esos 28,5 MJ/kg, aunque incluso frenar a 10 G requerirá más de un minuto, y desembolsar unos 290 km de cable. Un proyectil de una tonelada que caiga desde Saturno desarrollará una potencia de alrededor de 370 megavatios (28500 MJ en 76 s).

Tercera etapa: dejar caer los perdigones en Marte.

Cayendo 6000 km desde Phobos, incluso con una velocidad inicial cero con respecto al planeta (el lanzador Phobos simplemente neutralizará la velocidad orbital de la luna), las bolitas de nitrógeno congeladas aún poseerían una energía potencial de alrededor de 7,1 MJ/kg; incluso si están cerca del cero absoluto, solo absorberían alrededor de 0,3 MJ/kg para alcanzar la fase gaseosa. Nos quedaríamos con un exceso de más de 28 millones de calorías por kilogramo, lo cual es inaceptable.

La única otra alternativa es un skyhook. La estación Skyhook orbitaría en el mismo plano que los proyectiles entrantes y alternativamente los atraparía desde cualquier lado del planeta, arrojando así el exceso de energía directamente a Marte. Necesitaremos una serie considerable de ganchos celestes en todo el planeta, esencialmente, un anillo artificial alrededor de Marte.

Luego, el gas caería directamente hacia abajo, neutralizando (y recuperando una parte de) esos 7 MJ/kg de energía a través del frenado magnético.

La gran pregunta ahora es cuánto tiempo tomaría esto .

Suponiendo que cada proyectil pesa una tonelada redonda, necesitaríamos alrededor de tres mil millones de millones de proyectiles. La mayor parte de la energía requerida es suministrada por la gravedad, pero aún necesitamos lanzadores y receptores. Con mil de cada uno, requerimos tres millones de voleas, y a una volea por segundo (recuerden que estamos moviendo una tonelada de masa por lanzamiento, y de paso tenemos que disipar mucha energía), eso son cien mil años .