El problema es que "enfocado" no significa realmente "concentrado"

Cualquiera que haya jugado alguna vez con una lupa "sabe" que se puede tomar la luz del Sol y convertirla en un punto infinitamente concentrado. Esto es, en esencia, una variante de lo que está tratando de hacer.

El problema aquí son dos cosas:

1. La única razón por la que puede obtener un punto tan pequeño es porque la lupa está muy cerca del "objetivo", en comparación con la distancia a la fuente de luz.

2. Eso no es en realidad un punto infinitamente concentrado; es una imagen enfocada del Sol.

Eso no es un punto muy pequeño de luz, es una imagen del Sol. ( Fuente de la imagen )

Resulta que no puede recoger la luz y hacerla pasar en un haz que sea más angosto al salir de su dispositivo de recolección de luz de lo que era cuando entró. El haz de luz siempre será al menos tan ancho o más ancho. Para explicar esto con todo detalle hace falta un curso universitario de óptica, pero en resumen el principio se llama The Conservation of Étendue , y si quieres algo de ciencia realmente dura te animo a leer en ese enlace. Pero es demasiado avanzado, y no servirá para el propósito de nadie, para citarlo en su totalidad aquí.

Así que me perdonarán si enfoco un poco la respuesta. O más bien: concéntralo. ;) Y si la respuesta a continuación parece aburrida o difícil de entender, recomiendo xkcd: what if #145 .

Cuando usa la óptica para mover la luz de una fuente de luz y proyectarla en otro lugar, lo más pequeño que puede hacer la luz proyectada es cuando obtiene una imagen de la fuente de luz que está enfocada perfectamente. "Enfocado" en este caso no significa "concentrado en un punto muy pequeño", sino que puede ver claramente cada detalle de la fuente de luz, porque no está borroso. Las reglas simples de la óptica dictan que no puede hacer que la luz proyectada sea más pequeña que esto.

La siguiente regla de la óptica dice que la manera perfecta de proyectar una fuente de luz en otro lugar es la "lente" estenopeica . Con un agujero de alfiler siempre obtendrá una proyección perfectamente enfocada, por lo que con un agujero de alfiler siempre obtendrá la proyección más pequeña.

La siguiente regla de la óptica dice que un espejo infinitamente pequeño y perfectamente plano es como un agujero de alfiler, solo que tiene el beneficio adicional de poder hacer rebotar la imagen proyectada en alguna otra dirección.

Otra regla de la óptica dice que cada lente, como la lupa de arriba o en el caso de la pregunta: su dispositivo de rayos solares, se puede aproximar asumiendo que consiste en un número infinito de espejos infinitamente pequeños. La proyección de la lente es solo todas estas imágenes de los espejos superpuestas entre sí.

Ahora viene el pateador:

El tamaño de una imagen perfectamente enfocada, utilizando un agujero de alfiler, es proporcional al original de la misma manera que la distancia entre la lente y la imagen, y la lente y la fuente de luz es proporcional entre sí.

Si divides el tamaño de la imagen con el tamaño del original, obtienes una proporción... digamos 1 a 10, la imagen es 10 veces más pequeña.

Esa relación es la misma que entre la distancia del agujero a la imagen y la distancia del agujero al original. Entonces, si la cámara tiene 1 metro de profundidad, entonces la distancia al árbol es de 10 metros.

Para su proyecto, esto significa que esta "lente" suya —y repito: todas las lentes, ópticas y otros dispositivos similares pueden aproximarse mediante un número infinito de espejos, que a su vez son como agujeros de alfiler— debe estar más cerca de Titán que de Titán. el sol. De lo contrario, la imagen proyectada del Sol en Titán será más grande que el propio Sol y, por lo tanto, más débil en intensidad; usted gana tan cerca de nada que no hace probabilidades.

Suponiendo que desea que este dispositivo de enfoque suyo no desperdicie luz solar al hacer que caiga fuera de Titán, la imagen del Sol debe ser más pequeña que el propio Titán. Y dado que la relación entre el tamaño del Sol y el tamaño de Titán es de aproximadamente 279 : 1, realmente no tendrá ningún sentido usar este esquema suyo hasta que haya colocado su dispositivo concentrador tan cerca de Titán que la distancia desde este dispositivo a Titán, dividido por la distancia del dispositivo al Sol, es 1 sobre 279...

... es decir, estás casi allí de todos modos.

También podrías poner tus reflectores en órbita alrededor de Titán y recolectar la luz del sol allí. Esto también significa que no necesita extenderlo por todo Titán, sino que puede colocarlo en lugares de mayor importancia.

Hay límites de tamaño mínimo basados ​​en vibraciones

Resumen: si está utilizando un láser o algún otro mecanismo de enfoque, existe un límite de tamaño mínimo para dicho dispositivo, por debajo del cual no podrá entregar su energía con precisión a grandes distancias debido a la vibración.

Afirmación: Un láser montado en la ISS no podría golpear con precisión un objeto del tamaño de Titán a la distancia de los Vulcanoides a Saturno debido a la vibración de la ISS.

Mediciones de vibraciones

Para la Estación Espacial Internacional, podemos obtener la vibración estimada de la Figura 1 de este documento . La vibración se representa gráficamente como la frecuencia en hercios frente a la aceleración en micro-g cuadráticos medios.

La vibración se puede modelar con dinámica de resorte simple, de modo que la posición de un resorte que se mueve sinusoidalmente está dada por

Proyectando esta vibración a Titán

Usando trigonometría básica (triángulos rectángulos, básicamente), podemos determinar los efectos de esta vibración en un objetivo distante. Si un puntero láser de longitud$l$vibraban a 4 mm y apuntaban a un objeto de radio$r$a una distancia de$d$de distancia, las vibraciones harían que el objeto se pierda por completo si

Como estamos tratando con Titán, podemos usar el radio de Titán como$r = 2576000 \text{ m}$y la distancia entre los Vulcanoides y Titán, sobre$d = 1.346e12\text{ m}$como mínimo (aproximadamente un 10% más como máximo). enchufando$r$y$d$con nuestros 4 mm de vibración dados, encontramos que nuestro puntero láser debe tener unos 2 km de largo para que la amplitud de las vibraciones sea menor que el radio de nuestro objetivo.

Alternativamente, podemos decir que si el foco tuviera 100 m de largo, aproximadamente la longitud de la ISS, entonces la amplitud máxima permitida de vibraciones en la ISS sería de 0,2 mm. De cualquier manera, está claro que la ISS es demasiado pequeña y vibra demasiado para golpear Titán de manera confiable a una distancia de 9 UA.

Factores atenuantes

Dado que queda abierta la pregunta de cuál es el mecanismo real de suministro de energía a esta gran distancia, estos límites de vibración responden a la pregunta de "cuáles son los principales problemas".

El primer y más obvio factor atenuante es simplemente hacer que el mecanismo de enfoque sea muy grande. Si el mecanismo de enfoque estuviera integrado en uno de los asteroides Vulcanoid, sería de gran ayuda.

El segundo factor mitigador obvio es crear soportes amortiguadores de vibraciones para cualquier equipo pesado en la estación. Los equipos industriales modernos están ajustados para estar notablemente libres de vibraciones: el motor de turbina de gas marino GE LM2500 emite alarmas con una amplitud de vibración de 0,1 mm; El diésel marino W20 (20 cilindros) de Wartsila genera una vibración de aproximadamente 0,25 mm en el bloque durante el funcionamiento normal.

Aún así, incluso con niveles de vibración muy bajos, la inexactitud del haz a tal distancia es notable. Si la proyección de vibración en el objetivo es un porcentaje significativo del radio del objetivo, el sistema de entrega puede no ser adecuado para los propósitos de quien paga para que se entregue esta energía.

La luz solar entregada de esta manera, por ejemplo, no sería muy útil para el cultivo de plantas. Los láseres dirigidos a una central eléctrica en Titán tampoco serían de mucha utilidad. La magnitud del problema de las vibraciones depende mucho de los usos de la energía entregada.

Existe un medio de fuerza bastante bruta para lograr estos fines, y puede "agitar la mano" un poco para decir que Robinson está describiendo partes de este dispositivo.

Lo que quieres es una estrella láser artificial . Utilizando el plasma ionizado de la fotosfera solar como medio láser, es posible construir emisores láser de inmensa potencia y emitir energía a Saturno (o bien hacia la nube de Oort, para el caso). De hecho, algo como esto podría usarse para lanzar naves estelares impulsadas por velas de luz láser, como sugirió Robert L Forward.

Una versión de la Estrella Láser Artificial implica una serie de espejos que orbitan alrededor del sol. Se dispara un láser al pelotón y rebota alrededor del sol en un anillo entre los espejos. A medida que el anillo pasa a través del plasma ionizado de la fotosfera, se produce una inversión de población y se genera más luz láser, actuando el anillo como la "cavidad" del láser y los espejos como espejos resonantes. Cuando el haz tiene la potencia adecuada, uno o más de los espejos se "medio platean" (probablemente manipulando el índice de reflexión del material) y el haz se emite al espacio.

Ahora, el mayor problema aquí no es crear el haz o usar "vulcanoides" como monturas para los espejos y dispositivos de control, sino cómo mantener un haz continuo dirigido a Saturno (o más específicamente, Titán). Para hacer esto y evitar la incineración de naves espaciales y planetas que puedan atravesar la trayectoria del haz, el haz debe emitirse por encima del plano de la eclíptica y en uno o más espejos en órbitas altamente elípticas alrededor del sol. Estos espejos luego redirigen el haz de vuelta a otra serie de espejos (probablemente en una órbita polar alrededor de Saturno), que luego dirigen el haz hacia Titán. Si se desea, se pueden utilizar lentes Fresnel o rejillas de difracción como sustitutos de los espejos.

La otra ventaja de este sistema es que se puede permitir que el haz diverja, ya que puede ser reenfocado por los espejos o lentes de retransmisión entre el Sol y Saturno.

Enfocar la luz de esta manera no es realmente la forma en que funciona la luz, como describe la buena respuesta de MichaelK. Sin embargo, simplemente enfocar la luz del Sol es algo bastante ingenuo de todos modos. Hacer espejos enormes o especialmente lentes es difícil, y la luz visible sufre algunos problemas relacionados con la difracción. Por eso:

Los problemas de ingeniería y física se reducen considerablemente si, si desea "transmitir" algo, lo hace usted mismo.

Específicamente, sugiero recolectar energía y luego usarla para bombear un láser de alta frecuencia. Esto se puede hacer con paneles solares (en órbita o en un asteroide (que tendría que mover a su lugar)). Cerca del Sol, los paneles pueden captar más energía, pero el calor es un problema importante. Quizás un termopar desde, por ejemplo, la superficie de Mercurio hasta su interior funcionaría mejor.

En el lado de Titán, recoges la mayor parte de la energía del láser y la usas. Un láser IR sería más fácil de generar, pero un láser de rayos gamma transporta más energía y también tendría menos difracción. Afortunadamente, dado que Titán tiene una atmósfera densa, los láseres de frecuencia de vacío se pueden usar para calentar la atmósfera directamente.

Pero toda la idea del poder emitido a escala interplanetaria es algo poco práctico en general. En 300 años, con optimismo, tendremos fusión, y Saturno es una rica fuente de isótopos fusibles con un pozo de gravedad relativamente poco profundo.

Además, dado que Titán está hecho casi literalmente de combustible para cohetes, podría ser más fácil lanzarlo a una órbita solar más cercana (catalizar los compuestos de oxígeno de las rocas).

Finalmente, si no te importa la ciencia dura , entonces puedes jugar juegos tontos como abrir un agujero de gusano desde la órbita solar baja hasta la órbita alta de Titán.

La luz ya se emite a Saturno desde el sol, sin embargo, para que tenga consecuencias diferentes a las habituales (un poco de luz y calor), entonces necesitaría separar un miembro individual del espectro de luz. Esencialmente estoy hablando de un láser. Desafortunadamente, un haz de luz enfocado del sol no puede tener ninguna obstrucción. Afortunadamente, el espacio es principalmente un vacío y es poco probable que esto suceda. Sin embargo, en el caso de una luna que orbita alrededor de Saturno, es probable que la luna sea eclipsada por su anfitrión la mayor parte del tiempo. Eso es un gran problema. Otro problema es que enfocar la luz a una distancia tan larga es increíblemente difícil ya que la luz se dispersa a lo largo de la distancia. Mi única solución moderna sería esencialmente un cable de fibra óptica extremadamente largo. Por último, tendrá una diferencia muy pequeña en el efecto de calentamiento de toda la luna, pero en cambio en un solo punto muy pequeño. Espero que esto ayude.