¿Cómo escapar de una pequeña supertierra? [cerrado]

Mi pregunta es sobre la física real o lo que aún es posible dada la comprensión actual de la humanidad sobre cómo funciona el universo. No se permite la magia, no se mezclan tonterías con términos y expresiones científicas.

Las tecnologías no necesariamente tienen que existir, pero deben ser posibles o al menos plausibles en la medida en que no puedan descartarse utilizando nuestra comprensión actual de la física.

Digamos que vives en un planeta con la misma densidad que la tierra pero con el doble de su radio. Esto significa el doble de la gravedad de la Tierra en la superficie y el doble de la velocidad de escape de la Tierra. Quieres explorar un planeta diferente. ¿Cómo escapar de la gravedad de ese planeta?

La civilización tecnológica del planeta tiene un impulso muy fuerte de sacar una sonda del planeta. Se otorga financiación, tienen nuestra tecnología actual, excepto para viajes espaciales (que nunca tuvieron), y tienen 100 años de tiempo hasta que la sonda tenga que partir.

Tal planeta tiene el doble de la fuerza gravitacional de la Tierra en la superficie. Debido a que esto se ha puesto en duda cuando lo mencioné en los comentarios, escribió el concepto:

La imagen está reducida para que el sitio web se cargue más rápido. La alta resolución está disponible .

Ahora, este es el concepto aproximado que cabe en una página y probablemente satisfaría a los profesores de física en la escuela. Si no lo crees, puedo escribirte una prueba científica pero eso será de varias páginas y es preferible que no sea después de las 3 de la mañana donde vivo.

Nota: olvidé mencionar que esas fórmulas son válidas para puntos sobre la superficie de objetos esféricos, aunque suponen que la masa es un solo punto en el centro de ese objeto. Sin embargo, ese es un hecho generalmente conocido, y probarlo es realmente simple. Puedo probar eso o puedes buscarlo en Wikipedia o algo así.

¿De la misma manera que escapas de la Tierra, solo que más difícil? ¿Algún problema específico en tu historia?
@Mołot Misma física (ciencia dura).
Me parece una pregunta de física de tarea ;P
@MAFIA36790 Tal vez viajar en el tiempo y persuadir a mi profesor de física para que enseñe algo sobre eso en clase. Seguro que hubiera sido increíble.
Seguro @UTF-8; esa sería la velocidad de escape; el resto estaría en los ingenieros;))
@ MAFIA36790 Para ser claros: no se trata de ingeniería, ya que no se trata de encontrar un combustible para cohetes extremadamente bueno o hacer un motor a reacción súper eficiente o algo por el estilo. Se trata de sacar algo de un planeta y de una órbita baja con algo que no sea un motor a reacción. Está diseñado específicamente para que no tengas la posibilidad de salir de un planeta y de una órbita baja con motores a reacción.
Doble radio significa 8x volumen y por lo tanto 8x gravedad. Recuerda que estás trabajando en tres dimensiones, no en una.
Significa 8 veces el volumen y 8 veces la masa del planeta, pero no 8 veces la gravedad de su superficie ni 8 veces el potencial gravitatorio desde la superficie hasta una distancia infinita. Como no puedo poner fórmulas aquí, tendré que escribirlas. Puedo hacerlo más tarde y publicar un enlace aquí.
Sin embargo, al aparcarlo, es mucho más de 2x
@NathanielFord No hay estadio involucrado. no me gustan esos
@NathanielFord Lo agregué a la pregunta.
Dado que esto ha llegado a la cola de revisión cerrada, le agradecería que aclarara su pregunta: ¿Está preguntando cómo lograr la velocidad de escape en un planeta con el doble de la gravedad de la superficie de la Tierra utilizando solo la ciencia conocida? Si es así, sugeriría especificar eso en su pregunta, tal vez en cursiva o negrita.
@Frostfyre Listo.

Respuestas (2)

Esto es posible, con cohetes químicos, pero muy costoso. Los argumentos simples sobre las proporciones de combustible en los comentarios no han considerado los efectos de un cohete de etapas múltiples . Lo importante de las etapas de los cohetes es que mejoran la "proporción de masa" de su cohete, a expensas de necesitar un cohete cada vez más grande en el despegue.

Consideremos los cohetes que lanzan satélites a la órbita terrestre, porque hay más de ellos en una amplia gama de tamaños.

Comience con el Saturno V , el lanzador más poderoso construido hasta ahora. Puede poner 140 toneladas en órbita terrestre baja. No puede hacer eso para su hipotético planeta, pero téngalo en cuenta por un momento.

Luego tomamos un Athena II , un cohete mucho más oscuro, pero con un diseño moderno y efectivo. Solo puede poner 2 toneladas en órbita terrestre baja, pero el cohete completo solo pesa 120 toneladas. Así que el Saturno V puede levantarlo, y tenemos suficiente cohete para poner en órbita dos veces esa carga útil de dos toneladas. Esa combinación puede poner en órbita un satélite de dos toneladas alrededor de tu supertierra.

Esto es terriblemente costoso, ya que está utilizando un total de siete etapas de cohetes, comenzando con algunas muy grandes, para lanzar un satélite bastante pequeño. Pero es perfectamente posible . Del mismo modo, esta combinación de cohetes podría enviar una sonda de un cuarto de tonelada a otro planeta del mismo sistema solar, utilizando las 1,75 toneladas de masa sobrante para una octava (y posiblemente una novena) etapa.

Un sistema diseñado para un propósito debería poder hacerlo mejor (con la misma tecnología) que poner un Athena || en un Saturn V, pero es una linda prueba de concepto.
Esto sería cierto si pudieras quemar el combustible el doble de rápido que lo quema el Saturno V porque tienes que tener en cuenta la atracción de la gravedad temporalmente más larga sobre lo que queda del cohete que te cuesta energía. Echaré un vistazo más detallado a esto más tarde. PD: Estás frustrando el propósito de la configuración (no es posible (puramente) lanzamientos químicos). :D ;-)
Sí, tienes razón: los cohetes necesitan quemar combustible el doble de rápido (también conocido como desarrollar el doble de empuje), lo que cuesta un poco más de peso. El lanzamiento de productos químicos no es imposible , pero puede resultar imprácticamente costoso.
¿"Algo más de peso"? Probablemente casi necesite duplicar la masa seca de las etapas para obtener el doble de empuje. La primera etapa del Saturno V tenía una masa seca de 131 t que ya está muy cerca de su carga útil a LEO. Duplicar la masa seca de la segunda etapa ya supera la carga útil original en masa adicional. Si descuidamos la masa adicional de la tercera etapa, esto significa que ahora está a mitad de camino de LEO, ni cerca de escapar, y usó todo su combustible.
Sé que llego tarde, pero se me ocurre que significa que no necesitamos quemar el doble de rápido. El Saturno V despegó con una aceleración de 8 ge, lo que significa que su acento relativo al suelo fue de 7 ge. En el planeta hipotético eso sería 6 gees. Nuestra primera etapa de reemplazo solo necesita quemar aproximadamente un 17 % más rápido para obtener el mismo progreso en relación con el suelo. Las etapas superiores necesitan una mejora ligeramente grande, pero aún no el doble.

Para una sola etapa en órbita usando propulsores químicos, necesita una relación de masa mayor por un factor de e , lo que significa que, salvo un poco de unobtanio elegante, o un avance aún desconocido en la tecnología de propulsión, no tiene suerte. 1

Pero los cohetes químicos más grandes (quizás con más etapas) son la respuesta obvia (tal como es). Esto llega a ser terriblemente caro muy rápido.

En principio, es posible un cohete de estado sólido de haz terrestre . Necesita láseres direccionables de alta potencia o algo equivalente. El desarrollo sería un proceso largo y costoso.

Tal vez esto lleve a la voluntad de considerar algún tipo de cohete térmico nuclear de alto ISP para una segunda o tercera etapa, pero ese es un negocio bastante aterrador con efectos secundarios no triviales.

Es posible que no se desarrolle un programa espacial de trabajo hasta que se disponga de materiales más avanzados o se desarrolle algún tipo de sistema de propulsión de alto empuje y alto ISP. 2

1 Tenga en cuenta que en las décadas de 1960 y 1970 la puesta en órbita de una sola etapa era ciencia ficción, pero en estos días es simplemente muy difícil. Básicamente, todo se debe a las mejoras en los materiales y al diseño liviano. Aun así, la mayoría de los sistemas propuestos y existentes todavía usan al menos dos etapas si desea una carga útil no trivial.

2 Tenga en cuenta que la gente ha estado atacando el problema del alto empuje y el alto ISP para nuestros satélites y sondas durante algunas décadas con un éxito modesto. Hay sistemas que obtienen un mejor empuje que los motores de iones simples, pero aún no está hablando de lanzarlos.

No estoy seguro de cómo se financiaría el esfuerzo de desarrollo en ausencia de un programa espacial existente para impulsar el interés en la inversión. ¿Está considerando una estructura de poder absoluto?

Estoy considerando una especie tecnológica que debe tener una sonda que escape del planeta dentro de 100 años para sobrevivir, por lo que la financiación no es un problema.
La política de financiación es un gran problema a menos que ya sepan qué funcionará. Habrá argumentos a favor de varias propuestas diferentes.
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