¿Cómo funcionarían los faros en el espacio?

1- ¿Es viable este sistema?

Es impresionantemente ineficiente.

2 - ¿Es esto científicamente posible?

Sí, la pregunta es si puede obtener suficiente potencia para que valga la pena.

3 - ¿Cuánta superficie debe tener una esfera (faro) para que emita suficiente luz roja?

No es superficie, es potencia . Debido a que eres omnidireccional, necesitarás mucho . Básicamente necesitas una estrella.

El problema es hacer que esta cosa sea lo suficientemente brillante como para ser vista lo suficientemente lejos para que las naves espaciales que se mueven rápidamente tengan tiempo de hacer correcciones de rumbo con un delta-V mínimo . Voy a usar algunos números relativamente pequeños para el tiempo y la velocidad según los estándares de la ciencia ficción para darle a esto la mejor oportunidad de funcionar antes de intentar escalar.

Una nave espacial que va al 1% de la velocidad de la luz se mueve a unos 10 ¹⁰ (10 mil millones) m/h. Si queremos dar a esta nave una hora de aviso (probablemente no sea suficiente tiempo, pero estamos empezando poco a poco) necesita ver la baliza a 10 mil millones de metros de distancia . Esto puede parecer lejano, pero es solo 1/5 de la distancia de la Tierra a Marte en su punto más cercano . Ni siquiera escalas interplanetarias.

Primero, usar luz visible significa que estás compitiendo con todo lo demás que produce luz visible: estrellas y todo lo que refleja la luz de las estrellas. Es como encender una linterna en un día soleado, no puedo verlo .

Un faro omnidireccional es solo un transmisor de radio . La luz visible es una parte concurrida del espectro, por lo que puede hacerlo un poco mejor cambiando a una frecuencia menos común, probablemente en la ventana de microondas . De todos modos, ningún ser humano va a mirar esta cosa, todo se hará con computadoras como una radio. Así que elige una frecuencia rara. Sin embargo, cuanto mayor sea la frecuencia, más energía se requiere, así que elija algo bajo. Transmitir en una parte del espectro de baja frecuencia y sin aglomeraciones reducirá significativamente la energía requerida . Pulsarlo en una secuencia reconocible ayudará a distinguirlo del ruido de fondo.

Pero aquí está el problema: debido a que se trata de un faro omnidireccional, puedes pensar en su energía corriendo hacia el exterior en una esfera en expansión. El área de la superficie de una esfera aumenta con el cuadrado de su radio, esparciendo la energía cada vez más delgada. El doble de la distancia desde el faro, la cuarta parte de la energía . Si tiene 1000 lux a 1 m, a 2 m tendrá solo 250. A 4 m bajará a 62,5 lux. A 10 m son solo 10 lux.

Una esfera de 10 mil millones de metros de radio tiene un área de superficie 10 ²⁰ m ² veces mayor que una de 1 metro de radio. Una fuente de luz que se puede detectar a 1 metro necesita ser 10 ²⁰ veces más brillante para ser vista a 10 mil millones de metros . Y ahí está el problema: el poder. Eso es mucho poder. Y es para una nave espacial relativamente lenta con una advertencia relativamente breve. En cierto punto, también podrías crear una pequeña estrella.

Para poner esto en términos concretos, para que su baliza sea tan brillante como Sirius, tendría que ser tan brillante como una bombilla de 1,6x10 ⁴ m . Una bombilla emite unos 10 ³ o 1000 lúmenes . Para ser tan brillante a 10 000 millones de metros, 6,25x10 ⁵ veces más lejos, debe aumentar con el cuadrado de la distancia: 3,9x10 ¹¹ o 400 000 millones de veces más brillante que una bombilla: 6,25x10 ¹⁵ lúmenes. Esto es seis órdenes de magnitud más grande que el foco más grande del mundo , aunque todavía nueve órdenes por debajo de la enana roja más pequeña.

Ese es el límite inferior para ser visto a 1 hora de distancia por un barco que viaja al 1% de la velocidad de la luz. Ni siquiera estamos en escalas interplanetarias, mucho menos interestelares. Duplica la velocidad o el tiempo de reacción, cuadruplica el brillo requerido .

A menos que tenga el poder de una estrella, la transmisión omnidireccional no funciona a escala interestelar o incluso interplanetaria. Necesitas algo direccional. El problema de una baliza direccional es averiguar hacia dónde apuntarla.

1. Algo así como.

2. Sí

3. Esto dependería de cuán brillante sea la luz, la radiación total es el área de la superficie * el brillo, por lo que para que sea más visible, puede aumentar cualquiera de los dos.

Ciertamente ayudaría a que las cosas fueran más fáciles de ver, pero la cosa es que el espacio es realmente grande y vacío. No hay mucho con lo que encontrarse y, en general, es bastante fácil evitar las cosas que están allí (o necesitas ir a ellas de todos modos).

La navegación realmente no se puede hacer a simple vista en el espacio, ya que se trata de dinámicas orbitales y órbitas de transferencia y todo tipo de otras matemáticas muy complicadas. La mayor parte del tiempo en el espacio con tecnología actual o del futuro cercano, ni siquiera está usando sus motores. Solo los usa ocasionalmente para acelerar/corregir el rumbo/desacelerar y pasar el resto del tiempo deslizándose.

Una supernova sería mucho más visible que su esfera roja flotante. Incluso un agujero negro está rodeado por un disco de acreción y es muy visible la mayor parte del tiempo. Si tuviera un agujero negro aislado o una estrella de neutrones, entonces posiblemente podría argumentar a favor de algún tipo de baliza de advertencia, pero aún no tiene mucho sentido ya que necesitaría tener en cuenta la gravedad de la estrella de neutrones/negro. agujero al navegar y si no lo supieras lo detectarías por los cambios en tu rumbo que generaba mucho antes de que el impacto se convirtiera en un riesgo.

1- ¿Es viable este sistema?

Creo que la pelota se detiene aquí, de verdad. No, no es viable.

Lo que está proponiendo es quizás "posible" en un sentido limitado (pero como ya lo señalaron otros, se enfrenta a una competencia muy feroz en términos de fuentes de luz). Sin embargo, no es viable.

Esto no se debe a la cantidad de luz que necesitarías apagar. Arroje suficientes cantidades de handwavium a eso, y podría explicarlo, o simplemente la pantalla (juego de palabras solo a medias intencionado) todo el problema.

La razón se escribe mecánica orbital combinada con la velocidad finita de la luz y los viajes espaciales.

Si asumimos el viaje espacial por la mecánica newtoniana o relativista tal como se entiende actualmente (lo que sería un requisito implícito, ya que está pidiendo respuestas basadas en la ciencia conocida), entonces estamos limitados por las leyes de la mecánica orbital. Básicamente, la nave espacial navega por la costa durante todo menos una pequeña fracción de su tiempo de viaje. Las naves espaciales prácticas tienen un presupuesto delta-v muy limitado (capacidad para alterar su velocidad y vector) debido a la tiranía de la ecuación del cohete . Para reducir el delta-v requerido para un cambio de posición en particular después de un período de tiempo, debe aumentar el tiempo entre la maniobra y el momento en que debe completarse el cambio de posición.Cuanto antes pueda realizar una maniobra, menos combustible necesitará para obtener el resultado que desea. Compare el hecho de que para aterrizar, desde una velocidad orbital del orden de 7-8 km/s, el transbordador espacial solo necesitaba reducir su velocidad en unos 100 m/s antes de que la gravedad y la resistencia hicieran el resto.

Los objetos en el espacio generalmente se niegan a quedarse quietos. Si lleva su elegante nave espacial a una órbita terrestre baja, estaciona y cierra las puertas cuando vaya a un EVA para almorzar , y busca la nave espacial unos 45 minutos más tarde, la encontrará en el otro lado del mundo . (Afortunadamente, también estarás en el otro lado del mundo, lo que reduce un poco el impacto práctico de esto). Las órbitas geosincrónicas no ayudan, porque todavía te estás moviendo a velocidades orbitales; simplemente tienes una velocidad orbital que coincide con la velocidad angular de la rotación del planeta debajo de ti (el punto directamente a tu nadir). Los puntos lagrangianos tampoco ayudan ., porque a medida que los objetos relevantes se mueven, esos puntos también se mueven, lo que significa que usted (en este caso, la fuente de luz) se mueve con ellos.

Digamos que de alguna manera puedes diseñar una fuente de luz que sea lo suficientemente brillante como para que sea posible distinguirla a la distancia entre la Tierra y Plutón cuando los dos están en oposición (puntos más alejados uno del otro), y lo ponemos aproximadamente donde está Plutón en nuestro universo. La órbita de Plutón se extiende a unas 49 UA del Sol, y la Tierra orbita a una distancia aproximada de 1 UA del Sol. Entonces queremos algo que sea visible a 50 AU. (La órbita de Plutón está en un plano diferente al del resto del sistema solar, pero como ejemplo, esto funciona de todos modos). 50 AU realmente no es nada lejos en términos de viaje interestelar, lo cual supongo que te preocupa porque de los objetos peligrosos que menciona en su pregunta, pero funciona bien una vez que se acerca a un sistema solar.

Ahora, digamos que sus naves viajan al 1% de la velocidad de la luz, o 3000 km/s, en relación con la fuente de luz. (Esto es mucho, mucho más rápido que cualquier cosa que podamos lograr con cohetes químicos, pero todavía está dentro del ámbito de las posibilidades con la ciencia y la tecnología tal como las conocemos). alrededor de 2,5 millones de segundos para viajar. (Comprobación de plausibilidad al dorso del sobre: ​​retraso de la velocidad de la luz desde el Sol hasta Plutón, del orden de 7 horas. Velocidad de viaje, 1/100 de la velocidad de la luz. Tiempo de viaje esperado, 700 horas. 700 horas es 2,52 millones de segundos. Compruébelo.)

La velocidad orbital de Plutón tiene un promedio de 4,67 km/s. En esos 2,5 millones de segundos que necesita la luz para llegar a nuestra intrépida nave espacial a 50 UA de distancia, Plutón (o nuestra fuente de luz) se desplaza casi 11,7 millones de km a lo largo de su órbita. Esto es antes de que la tripulación de la nave espacial vea la luz.

Las naves espaciales generalmente viajan a lo largo de órbitas de transferencia elípticas seleccionadas para llegar a un punto particular en el espacio en un momento particular (generalmente en un momento en que un objeto de interés, en su órbita, se cruzará con ese punto, o un punto cercano a ese) dentro de algunas restricciones dadas (tiempo, delta-v, masa de carga útil, ...). Cada vez que una nave espacial va a alguna parte, lo hace asumiendo una órbita de transferencia (muy a menudo una órbita de transferencia de Hohmann , que en muchos casos es la forma de energía más baja que conocemos para ir del punto A al punto B en el espacio; otra la alternativa que a veces se considera es una órbita de transferencia bielíptica). En las órbitas de transferencia de Hohmann, básicamente cambias el tiempo por delta-v; cuanto más delta-v pueda permitirse, más directa será la ruta que podrá tomar y más rápido podrá llegar a su destino. Dado que, como vimos anteriormente, queremos minimizar el gasto delta-v para reducir la relación de masa de nuestra nave espacial, esto significa que necesitamos más tiempo para llegar a donde vamos que si estuviéramos viajando en línea recta.

Entonces, no solo la fuente de luz ya se ha movido más de diez millones de km a lo largo de su órbita cuando la luz llega a la nave espacial a 50 UA de distancia de la posición original de la fuente de luz, sino que también debe considerar cuánto tiempo necesitará la nave espacial para llegar a dónde está ahora la fuente de luz (o el punto de interés) . (¿Y ese es "ahora" en qué marco de referencia? ) Y para cuando llegue allí , ¿dónde estará el punto de interés entonces ? Es una variación de la clásica pregunta de truco matemático de dividir algo a la mitad repetidamente:

Este es exactamente el tipo de problema que los humanos son horribles para resolver, y las computadoras son excelentes para resolver.

Es por eso que cualquiera que quiera algo remotamente parecido a esto sería mucho más probable que use balizas de radio y computadoras electrónicas que la navegación por la vista y la estimación.

El tipo de fuente de luz (o incluso EM) que esté utilizando no tiene efecto en esto, porque el problema no está relacionado con el tipo de fuente EM sino con las velocidades relativas de los objetos involucrados y la mecánica orbital.

Además de todas las otras cosas mencionadas en otras respuestas, hay algunas cuestiones más relevantes:

1. Los faros deben mantenerse en su lugar en relación con lo que están marcando. No es realmente un problema en la tierra, al marcar rocas, entradas de puertos, etc.; no se mueven mucho y no afectan a los faros.

Supernova, agujeros negros y similares, todos tienen gravedad. Esto moverá el "faro" alrededor. En la práctica, el faro probablemente tendría que estar en órbita; casi todo lo que es más pequeño que una galaxia tiende a estar en órbita: la luna gira alrededor de la tierra, la tierra gira alrededor del sol, el sol (y el sistema solar en su conjunto) gira alrededor de la centro de nuestra galaxia (nuestra galaxia es la Vía Láctea).

2. Si viene desde la dirección equivocada, el objeto marcado oscurecerá el faro.

Los faros funcionan muy bien en el mar, donde nada sobresale. Funcionan bien en la costa: si vienes desde tierra, probablemente no necesites el faro, y los faros suelen estar en el punto más alto, para brillar por encima de cualquier cosa que pueda oscurecerlo.

En el espacio, el arriba de una persona es el abajo de otra, y si tienes la mala suerte de acercarte por el lado equivocado, ese faro que estás buscando puede estar detrás del objeto.

3. Los objetos muy masivos pueden desviar la luz.

Esto se aplica principalmente a los agujeros negros. De manera similar a los espejismos en la Tierra, la luz de un "faro" (o, para el caso, las señales de radio) se doblará alrededor de un objeto lo suficientemente pesado, haciéndolo aparecer en el lugar equivocado, distorsionado o de diferente color y/o brillo. Véase " Lentes gravitacionales "

4. La luz es lo mismo que la radio.

Si esto es para seres extraterrestres (desde nuestra perspectiva), entonces tenga en cuenta que la luz y la radio son lo mismo. Los humanos hemos tomado una pequeña parte del espectro de radio y hemos dicho "esa parte es diferente del resto, porque podemos verla". Los seres extraterrestres pueden decir lo mismo sobre otras frecuencias. O pueden sentir su entorno de una manera completamente diferente. Del mismo modo, si su radio pudiera sintonizarse desde los 91,5 MHz habituales hasta alrededor de 480 millones de MHz (480 terrahercios), estaría sintonizado en luz roja. Las serpientes pueden ver infrarrojos (para un valor dado de "ver"; no lo sienten a través de sus ojos, pero sí pasa por las áreas de "visión" de sus cerebros), lo que nos parece "negro".

5. Rojo significa "Peligro" - ¡para nosotros! Para otras razas de la galaxia, el rojo puede significar "seguridad". Tenga cuidado con las suposiciones culturales cuando trabaje con especies exóticas: sus suposiciones están destinadas a ser incorrectas.

Los puntos 1 y 2 se pueden resolver poniendo en órbita una serie de "faros", similar a la "constelación" de satélites GPS. Los satélites GPS, por ejemplo, están en 3 órbitas diferentes, todas a través de los polos; 8 satélites en cada órbita, a intervalos de 120 grados, para un total de 24 satélites, más algunos repuestos; Pensaría que 2 por órbita, en lados opuestos del objeto, para un total de 6, sería suficiente visto desde el espacio. Es posible que, hipotéticamente, pueda salirse con la suya con 2, en lados opuestos del objeto, aunque incluso un objeto pequeño e invisible podría ocluir su faro.

Como otros han señalado, una supernova emitiría mucha más luz de la que cualquier faro construido por el hombre podría ser capaz de hacer. Eso es como tener un tipo con una linterna para advertir a la gente que se aleje de un volcán en erupción.

Pero como una especie de marcador de navegación en general... podría funcionar. Mi reacción inmediata es que tendría más sentido transmitir una señal de radio. Eso podría distinguirse del ruido de fondo mucho más fácilmente.

¿Es técnicamente posible construir una gran luz roja y ponerla en órbita? ¿Seguro Por qué no? Ciertamente es posible construir satélites: los humanos ya han construido muchos. Y ciertamente es posible construir luces grandes.

¿Qué tan grande tendría que ser? Depende de la cantidad de luz que quieras que emita y de la distancia a la que quieras que se vea. No creo que haya ninguna fórmula allí. Además, su visibilidad dependerá de la cantidad de energía que se emita, lo que puede verse afectado por el tamaño, pero no está determinado por él. Una bombilla de 100 vatios y una bombilla de 40 vatios suelen tener el mismo tamaño. Creo que la pregunta más importante es: ¿cuánta energía necesitará y de dónde vendrá esa energía?

Lo más probable es que emitieran algo más poderoso que la luz roja, pero la idea es sólida. La novela Beacon 23 de Hugh Howey se basa en esta idea. En esa novela, está transmitiendo la ubicación de un gran campo de asteroides, ya que el viaje FTL de ese mundo es similar a Star Wars (los objetos físicos pueden afectar el viaje debido a los campos de gravedad).

En cuanto al área de superficie, la cantidad suficiente depende en gran medida de la distancia a la que desee que se vea. Definitivamente podría verte queriendo marcar algo oscuro, como un campo de asteroides o un agujero negro (que emita algo que no sea la radiación de Hawking), o cosas más pequeñas como las bahías de acoplamiento antes mencionadas, aunque algo más similar a Range Lights sería mejor para eso... Las supernovas y eventos similares ya son bastante brillantes por sí solos.

¿Has mirado en los púlsares?

https://en.wikipedia.org/wiki/Pulsar

Se ha hablado de usarlos como balizas de navegación galáctica.

No creo que esto realmente funcione.

• no seria util
• Costaría demasiada energía
• Hay formas mucho mejores de hacer las cosas

Sin embargo, me gusta la idea de los faros en el espacio. Podría conducir a algunas imágenes agradables. Eso es algo que podría valer la pena preservar incluso si la idea de usarlos para la navegación no es práctica o útil.

¿Está proponiendo viajar más rápido que la luz? Porque el espacio es muy, muy grande. Si no hay un viaje más rápido que la luz, realmente no tienes que preocuparte por encontrarte con un agujero negro porque te llevará miles de años llegar a uno. (y si viaja más rápido que la luz, usar la luz para navegar no funcionará muy bien; además, cuanto más profundice en FTL, más problemas descubrirá). Si está postulando FTL, estará postulando dejando espacio normal para hacerlo. Vas a otro lugar, recorres una distancia diferente y luego sales por donde vas. Sería necesario poder detectar alguna baliza de navegación a través de los límites de estos dos tipos de espacio. No se conoce ese espacio ni nada que pudiera penetrarlo. Así que invéntalo; - ) ¿Si tiene un bonito brillo rosado en el espectro visual? Prima.

En el espacio normal nadie va a gastar el tipo de energía necesaria para hacer un faro visible en el espacio. No funcionaría bien, costaría demasiada energía y hay formas mucho mejores de hacerlo.

Puedes evitar chocar con las rocas montando un radar en tu nave. Y las cosas de las que realmente debe preocuparse viajan tan rápido que las señales visuales son inútiles. Imagina una roca que viaja más rápido que una bala. Es del tamaño de una pelota de golf y viene hacia ti desde arriba. No lo verás a tiempo para hacer algo al respecto. Sin embargo, el radar y una computadora lo harán.

Además, no hay mucho en el camino de las señales visuales cuando se navega en una nave espacial. Considere el hecho de que el pozo de gravedad funciona como una pendiente empinada que no puede ver. Cuando "estacionas en órbita", en realidad solo estás haciendo un montón de cálculos matemáticos sobre tu velocidad, dirección y ubicación en una pendiente pronunciada. No se puede ver nada de eso a simple vista.

Lo que podría ser interesante es una pantalla de visualización frontal que SÍ muestre visualmente la dinámica orbital y los peligros. Muestre el pozo de gravedad como una pendiente iluminada que desciende hacia el planeta. Puede señalar escombros o peligros de navegación con luz blanca en su máscara facial o panel de control cuando están demasiado lejos para poder verlos a simple vista. Podrías representar el tamaño y la velocidad con señales visuales. La mente humana está muy bien sintonizada con eso. Una herramienta que pudiera presentar datos de esa manera podría ser muy útil. También simplifica los controles y las lecturas.