¿Cuánto costaría llevar una carga útil de 1 gramo al marco de descanso CMBR (es decir, Δv 368 km/s?)

Supongamos que quisiéramos hacer un experimento muy pequeño en (o muy cerca) del marco de reposo de radiación de fondo de microondas cósmico, en el que viajamos a 368 ± 2 km/s relativo. Sin considerar la complejidad de medir y transmitir los resultados de vuelta a casa, ¿cómo obtendríamos una carga útil de 1 gramo a un delta -v tan alto en primer lugar? ¿Qué costaría?

¿Hay alguna manera de extrapolar ingenuamente los costos en función del delta -v requerido ?

368 km/s está muy por encima de nuestras capacidades actuales, incluso utilizando motores iónicos u otros motores de alta eficiencia en desarrollo. Por lo tanto, asignarle un valor monetario no tendrá sentido, ¡pero tal vez siga siendo un ejercicio divertido!
Actualmente no se puede hacer con motores de cohetes. Puedes ejercitarte usando la ecuación de Rocket en.wikipedia.org/wiki/Tsiolkovsky_rocket_equation . Tenga en cuenta que el problema principal es que no podemos alcanzar una velocidad de escape lo suficientemente alta, incluso con motores iónicos. Supongo que tal vez un bucle de levitación magnética en el vacío teóricamente podría...
@Jack, creo que estás exagerando la situación de desesperanza/falta de sentido. Si bien aún no es algo que pueda ordenar de un catálogo, debería haber suficiente trabajo en realizaciones prácticas de velas solares para hacer una estimación. Consulte ¿Cómo se utilizarán los retrorreflectores de la nave espacial LightSail 2 de The Planetary Society? También es posible estimar cuán delgada sería la vela para alcanzar esta velocidad (alrededor de 0,1% c) según esta respuesta .
@Jack Esta velocidad es mucho más baja que las velocidades consideradas por el proyecto Breakthrough Starshot , por lo que si se hace con un láser en lugar de luz solar, no necesitaría nada tan grande como la matriz láser de 100 gigavatios de Breakthrough Starshot: ¿cuál es el pensamiento actual? esto podría funcionar?
@uhoh De acuerdo, pero estas tecnologías aún están en desarrollo, por lo que extrapolar más allá del conjunto de datos muy pequeño de los prototipos probados y dar un valor monetario sería especulativo, creo. Estoy escribiendo una respuesta para motores convencionales, ¿podría escribir una que cubra las tecnologías que mencionó?
@Jack no, pero no me siento obligado a dejar un comentario que diga que la pregunta no se puede responder o que la respuesta sería "bastante sin sentido". En su lugar, podría incluir eso en su respuesta.
Depende, entre otras cosas, de su carga útil. Creo que podría ser posible acelerar una carga útil en esa escala a esa velocidad muy rápidamente usando una explosión nuclear o una ablación láser de un láser pulsado de muy alta potencia. El KE que necesita es de aproximadamente 100 MJ, que está contenido en < 100 pulsos de la Instalación Nacional de Ignición. Estos serían bastante baratos (especialmente si desea realizar múltiples lanzamientos), pero la carga útil debería ser bastante difícil. La vela láser o posiblemente un cañón de bobina podría proporcionar una aceleración más suave (digamos <10000 g).
@SteveLinton la propulsión se trata de impulso, no solo de energía. Necesita una masa de reacción o al menos algo para llevar el impulso opuesto. Es difícil imaginar cómo esos realmente podrían acelerar algo a 0.001c
@uhoh La ablación con láser es bastante efectiva. Explotas la capa superficial de algo en plasma y los campos eléctricos del láser aceleran los iones cerca de la velocidad de la luz. La mitad de ellos golpean la carga útil y la otra mitad son masa de reacción.

Respuestas (2)

Con las tecnologías actuales, lamentablemente esto está fuera de nuestro alcance. Sin embargo, ¡hay una promesa en el horizonte!

motores químicos

La ecuación de Tsiolkovsky siempre es tu amiga cuando calculas Δv para motores convencionales (o tu enemiga, ¡según cómo la mires!):

Δ v = yo s pag × gramo × en ⁡ METRO a s s F tu yo yo METRO a s s d r y

Reordenando para resolver la relación de combustible nos da:

R a t i o = METRO a s s F tu yo yo METRO a s s d r y = mi Δ v yo s pag × gramo

Es ese exponencial el que nos causa problemas. Incluso si usamos uno de los motores químicos más eficientes de la historia, el motor principal del transbordador espacial ( yo s pag ~ 452s), ignore su masa e ignore la masa de todos los tanques/plomería/otra estructura, obtenemos un límite inferior de METRO a s s F tu yo yo ≈ 10 33 kg o 1000 veces la masa del Sol. Cuando incluimos toda la estructura requerida para contener todo este combustible, ¡esto empeora aún más!

Podríamos reducir significativamente este número si utilizamos la puesta en escena, pero claramente no nos dará nada posible, y mucho menos asequible. Así que tenemos que buscar una mayor eficiencia.

Motores de alta eficiencia

Si usamos uno de los motores de mayor eficiencia volados, el propulsor de iones de Dawn ( yo s pag ~ 3100s), e incluya la masa del motor y los tanques ( motor de 8,2 kg , tanques basados ​​en cubos cuadrados de combustible de 450 kg: tanques de 19 kg), obtenemos METRO a s s F tu yo yo ≈ 5 × 10 14 kg - todavía totalmente inviable.

Pero lo podemos hacer mejor.

Se ha calculado que el propulsor de iones reticulados de doble etapa (DS4G) de la ESA en desarrollo ha logrado un yo s pag de alrededor de 20000s .

Cambiar el motor iónico de propulsión iónica de Dawn por uno de la misma masa con un yo s pag de los años 20000 nos dará una enorme velocidad de 82 km/s . Si agregamos más combustible y escalamos la masa del tanque en consecuencia, podemos alcanzar nuestros 368 km/s con una masa total de ~ 6000 kg , ¡totalmente alcanzable!

Dawn costó alrededor de $ 450 millones , por lo que especularía con un costo conservador muy aproximado de $ 1b para construir y lanzar nuestra nave hipotética. La economía de escala nos ahorra dinero en la masa más grande y los costos de lanzamiento no serán significativamente mayores. Obviamente, esto ignora cualquier costo del desarrollo de la tecnología de dos etapas que sería muy difícil de estimar.

Otras tecnologías

Podemos ver que independientemente de lo que intentemos, la ecuación del cohete siempre nos va a morder en algún momento, entonces, ¿por qué no intentamos algo que no requiera propulsor?

Breakthrough Starshot es una tecnología de prueba de concepto que supuestamente puede alcanzar una velocidad muy superior a nuestros 368 km/s, ¡del orden de 0,1 c! Utiliza láseres terrestres de gigavatios (léase: consumo máximo de energía comparable a los países grandes) para impulsar pequeñas embarcaciones con una aceleración extremadamente alta.

Este tipo de propulsión sería ideal para su propuesta: la nave alcanzaría la velocidad requerida en muy poco tiempo, minimizando las correcciones necesarias para las influencias gravitatorias y eliminando la necesidad de grandes sistemas de transmisión.

El tipo de infraestructura de infraestructura claramente sería increíblemente costoso, probablemente en la magnitud del presupuesto de infraestructura de países enteros: $ 100 mil millones - $ 1 billón.

Sin embargo, Breakthrough Starshot depende de que los costos de los componentes disminuyan significativamente y que las eficiencias aumenten a medida que avanzan las tecnologías. Algunas estimaciones dan un costo de misión única de $ 5-10 mil millones en 2036 , con caídas especulativas en el costo. Una vez más, esto no tiene en cuenta el costo de la investigación y el desarrollo.

Nota: he tratado de hacer algunas especulaciones y estimaciones sobre los costos involucrados, pero todos deben tomarse con pinzas. Además, dado que la carga útil de 1 g no está especificada, asumo que puede modificarse para adaptarse a los requisitos de la nave.

Suponiendo que todo ya esté en órbita (después de haber usado montaje y una cantidad extrema de lanzamientos para ensamblar en órbita), usando el motor principal STS y un peso del tanque del 10 % (eso es nominal, ¿verdad?), ¿cuánto combustible se necesita para llegar a Δv 368? km/seg? ¿Y cuántos Saturn V (o el equivalente actual; w\e es mejor) se necesitarían para poner todo ese combustible en órbita?
@Mazura significativamente más que 10 33 kg, que es el límite inferior para la masa de combustible suponiendo un motor sin masa y un tanque sin masa. Si les da ambas masas, los requisitos de combustible aumentan aún más. Si solo incluimos la masa del motor (3500 kg) e ignoramos el tanque, el combustible requerido ya salta a 10 39 ¡kg! Mira aquí
¿Solo 368 km/s? Pensé que solo estaba dentro del alcance de Ole Boom Boom . Llegaron a construir y lanzar un vehículo de prueba.
Sospecho que una maniobra de honda gravitatoria motorizada alrededor del Sol podría hacerlo. La velocidad máxima de la Parker Solar Probe será de 200 km/s, probablemente no sería muy difícil ajustarla a 368 km/sy en el plano orbital correcto.
Esta forma simple de la ecuación de Tsiolkovsky puede causar problemas a los que aludes: "¡Cuando incluimos toda la estructura requerida para contener todo este combustible, esto empeora aún más!" Veo que ha borrado sabiamente la referencia a la ley del cubo cuadrado, que no se cumple para tanques de una presión interna específica. Mi respuesta a la pregunta, "¿Existe un límite de ∆V para un cohete de una sola etapa con una masa del tanque propulsor proporcional a la masa propulsora?" trata esto. (¡Hay un límite que no se puede exceder!)

Jack hizo un gran trabajo describiendo cómo hacerlo usando motores de propulsión. Tengo una respuesta diferente:

Ya (casi) planeamos hacerlo (sin darnos cuenta).

El plan original para la Parker Solar Probe recientemente lanzada era hacer una asistencia de gravedad en Júpiter para un posterior sobrevuelo del Sol a una velocidad relativa de más de 300 km/s. Por lo tanto, para alcanzar una velocidad de 370 km/s se requeriría una distancia al Sol de 3,5 en lugar de 4 radios solares, totalmente factible si no tenemos que lidiar con instrumentos sensibles que deben protegerse de la intensa radiación. Y calor.

Ahora solo tenemos que asegurarnos de que el vector de velocidad de la sonda esté correctamente alineado con el CMB, pero esto es posible: la inclinación se puede variar apuntando a diferentes bordes del Sol, mientras que la dirección dentro de la eclíptica solo necesita una sincronización adecuada. con respecto a la posición de Júpiter.

Desafortunadamente, esta maniobra proporciona el requisito de "estar en reposo con el CMB" para el "pequeño experimento" solo por un instante en el tiempo, y no por un período prolongado. Si necesita eso, volvemos a la respuesta de Jack.

¡Tanto por " mucho más allá de nuestras capacidades actuales "! (también aquí ) Si el experimento de 1 gramo no descrito resulta ser sensible al calor (no sabemos si lo es, la velocidad del CMB puede servir simplemente como marco de referencia), entonces un sistema de tamaño razonable ciertamente podría mantener su masa de 1 gramo fría para unos días si es necesario.
@uhoh: "mucho más allá de nuestras capacidades actuales" definitivamente es correcto, si desea tener la carga útil en reposo con el CMB durante un período prolongado de tiempo. El sobrevuelo solar lo proporciona solo por un instante, lo que no es demasiado útil si desea hacer un experimento.
Por otro lado, 3,5 radios solares tal vez no sea el tipo de ubicación oscura y fría que mejor se adapte a las mediciones de CMB.
@EP tiene razón. Está tratando de medir, con mucha precisión, el flujo radiativo del CMB a 2.725 K. Las cosas a 2.725 K no irradian mucho (la potencia va a T^4), por lo que la señal es exquisitamente pequeña. Esta es la razón por la cual los instrumentos que realizan esas mediciones tardan mucho en hacerlo: tienen que integrarse durante mucho tiempo para generar suficiente SNR. Una ubicación donde la temperatura de cuerpo libre de un objeto de alto albedo es superior a 2000 K no es lugar para esas mediciones, y no tiene mucho tiempo (matemáticamente, ¡duración de ventana cero!) para integrar.
@TomSpilker Nadie dijo que realmente quiere medir CMB allí; tal vez sea solo un experimento filosófico para sentirse en paz con el universo ;-)
@asdfex Punto tomado. ¡Pero apuesto a que tendría muchos más problemas para obtener fondos para el "experimento filosófico" que para las mediciones de CMB! ;-)
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