¿Cuánto daño causaría una sonda espacial?

No lo suficiente como para causar una extinción global.

Podría convertir cosas en ecuaciones, pero soy perezoso. Conectando la energía cinética relativista de una masa de 100 kg que viaja a 0.4c da$8 \times 10^{17}$Julios. La página sobre el impacto que se supone que mató a los dinosaurios, el impacto de Chicxulub , dice que la energía liberada en este evento fue$4\times 10^{23}$Julios.

Una búsqueda rápida en Google muestra que la sonda juno se trata de$3000$kg, o unas treinta veces más pesado que la masa que conecté. Esto da que su sonda liberaría 0.00006 veces la cantidad de energía que en el impacto de Chicxulub. ¡Esto es mucho, pero no en el gran esquema de las cosas!

Supongamos que viaja a una velocidad constante de 0,4c (ya que no sabemos nada acerca de su aceleración) y su masa es de 100 kg. A esas velocidades, los efectos relativistas son menores en comparación con el hecho de que hice la masa totalmente de la nada, por lo que podemos hacer una solución clásica.

Usando$E=1/2mv^2$encontramos que la energía es$1/2 \times 100 \times 119916983^2 = 7.19004143 \times 10^{17} ~\mathrm J$. Usando mi página favorita en Internet, Órdenes de Magnitud (Energía) , vemos que eso está a la par con la detonación de la Tsar Bomba, el arma nuclear más grande jamás construida. Está a 6 órdenes de magnitud de la energía liberada por el meteorito Chicxulub que se cree que causó la extinción de los dinosaurios.

Por lo tanto, hay poco riesgo de un evento de extinción. ¡Eso y golpear un planeta por accidente a 4 años luz de distancia sin intentarlo es bastante difícil!

Calcular el daño causado por un impacto es un negocio impreciso, pero podríamos usar el evento de extinción KT (que acabó con los dinosaurios) como punto de referencia. Este impacto tuvo una energía de alrededor$4.2\times 10^{23}$julios _ La pregunta es entonces qué tan rápido tendría que ir nuestra sonda para entregar tanta energía.

Para un proyectil relativista la energía total viene dada por:

y la energía cinética es solo esta energía menos la energía de masa restante$mc^2$.

Supongamos que nuestra sonda tiene una masa de una tonelada ($10^3$kg), que es alrededor de la masa de las sondas Voyager . En ese caso para igualar la energía del impacto de Chicxulub se necesitaría una velocidad de alrededor$0.99999998c$. Estás sugiriendo una velocidad de$0.4c$, y a esa velocidad la energía cinética estaría alrededor$8\times 10^{18}$julios, que es un factor 50000 menor que la energía de impacto de Chicxulub. Aun así, no me gustaría estar parado debajo de él cuando golpee.

Pero hay un par de puntos que deben hacerse.

En primer lugar, el espacio es grande, realmente grande, y en su mayor parte está vacío. La posibilidad de que una sonda golpee algo es tan ridículamente pequeña que nadie se lo va a tomar en serio.

En segundo lugar, a la NASA le importa lo que le suceda a sus sondas y esto es parte de la planificación de la misión. Por ejemplo , la sonda Cassini se estrellará deliberadamente contra Saturno , donde el calor de la reentrada la destruirá (y cualquier forma de vida terrestre que pueda estar escondida en ella).

En primer lugar, incluso sin un sistema de frenado artificial, una nave espacial puede reducir la velocidad utilizando las fuerzas de marea de los planetas/cuerpos astronómicos por los que pasa, al igual que puede acelerar utilizando la asistencia gravitacional. Por lo tanto, no necesariamente alcanzará velocidades cataclísmicas simplemente viajando durante mucho tiempo a través del espacio.

Ahora, calculemos la energía que se liberará si la sonda espacial New Horizons choca contra un planeta como la Tierra. New Horizon tiene un peso bruto de unos 400 kg. Su última velocidad registrada (el récord mundial actualmente) es de 16,26 km/s = 16260 m/s. Supongamos que se bloquea con esta velocidad. Y toda su energía cinética se convierte en calor. El calor liberado será de unos 53.000.000.000 J. Una tonelada de TNT produce unos 4,184$*$ $10^9$J de energía. La energía liberada en el evento de choque es aproximadamente 10 veces esta energía. Eso es suficiente para volar un túnel lo suficientemente grande en una montaña promedio. El planeta ni siquiera se dará cuenta.

La sonda espacial no hará ningún daño ya que se vaporizará en la exosfera. Cuando la sonda entre en el medio interplanetario a una distancia del orden de 100 UA de la estrella, chocará con iones a una densidad del orden de 5 iones por$\text{cm}^3$. Las colisiones con protones ocurren a una velocidad de 0,4 c, por lo tanto a una energía del orden de 100 MeV, por lo que es bastante similar a estar expuesto a una intensa radiación alfa. La temperatura del escudo térmico se elevará a unos 600 K. El escudo térmico puede tolerar temperaturas de hasta unos 6000 K antes de vaporizarse. Esta temperatura se alcanzará cuando la densidad sea$10^4$veces más grande, por lo que 50.000 iones por$\text{cm}^3$. Pero a 1000 km de altitud sobre la Tierra, normalmente ya tendrás$\sim 10^{6}$átomos por$\text{cm}^3$.

Entonces, a medida que la sonda se acerca a un planeta similar a la Tierra, la temperatura de su escudo térmico aumenta gradualmente debido al bombardeo cada vez más intenso de los iones y átomos que recoge. A los 10 000 km, el escudo estará al rojo vivo, 0,02 segundos más tarde, cuando esté a 4000 km, lo más probable es que se haya vaporizado, exponiendo el interior a temperaturas del orden de los 6000 K. Toda la sonda simplemente se vaporiza por completo antes incluso de alcanzar los 1000 km. distancia.

Los átomos que componen la sonda seguirán moviéndose hacia la atmósfera hasta que choquen con los átomos. Debido a la desintegración, cada átomo ahora está "por su cuenta", mientras que en un sólido solo los átomos en la superficie sufrirían colisiones. Todos los átomos habrán chocado con átomos de la atmósfera superior ya a una altura de unos pocos cientos de kilómetros. En estas colisiones de alta energía, los átomos se ionizan y luego experimentarán la fuerte fuerza de Lorentz debido al campo magnético de la Tierra. Estos procesos harán que la energía de la sonda se disperse muy por encima de los 100 km de altitud.