Diseño de nave espacial de aceleración 1g

( Editado por brevedad, si puede creerlo. El historial de edición conserva algunos análisis elaborados del rendimiento del cohete y una comparación con el diseño de la nave estelar de antimateria Frisbee )

TL;DR: Se verá un poco más como esto que como un rascacielos:

( Tenga en cuenta la presencia de rechazo de calor, las partes rojas brillantes alrededor de los cohetes, el escudo de escombros, el rombo brillante en el otro extremo y, si entrecierra los ojos un poco, las secciones de gravedad giradas cerca del escudo. Todas las características del diseño de ciencia ficción dura. Más detalles en este diagrama )

Este es el ISV Venture Star de la película Avatar . Se basa en un trabajo más antiguo llamado Proyecto Valkyrie , que consiste en dar la vuelta al diseño tradicional del cohete, utilizando un par de motores de cohete cuidadosamente angulados en la parte delantera de la nave y una estructura de tensión bastante larga que soporta la carga útil de la nave espacial. La estructura de tensión es más simple y liviana que una estructura de compresión, y esto significa que puede hacerla lo suficientemente larga para que la mera distancia de las fuentes de radiación intensa de los motores de sus cohetes ayude a protegerlo (gracias a la ley del inverso del cuadrado) y reduzca la masa de escudo que necesita para mantener a todos con vida. El Venture Star tenía solo 1,6 km de largo, pero el diseño de Valkyrie tenía más de 10 km.

El Venture Star también utiliza una vela láser para alejarlo de la Tierra y para reducir su velocidad cuando regresa, lo que reduce el delta-V (y, por lo tanto, la masa de combustible) necesario para cada tramo del viaje en un factor de 4. Es posible que no quiera usar una vela láser por cualquier motivo, pero podría considerar usar una vela magnética para reducir la velocidad en la fase de desaceleración de su viaje. Esto le permite reducir la velocidad de su nave por arrastre magnético contra partículas cargadas en el espacio interestelar y el viento solar emitido por su estrella objetivo. Este tipo de paracaídas puede frenar con una fuerza considerable (el ejemplo dado en el enlace comienza con más de 5 gravedades) y podría frenar un barco de .95c a .01c en un par de años sin gasto de propulsor.

Una combinación de estos enfoques podría permitirle a) no usar ningún cohete en absoluto (lo que requiere que construya una matriz de láser en su destino) o b) alimentar su cohete en Sol, luego ser impulsado por el láser, frenar por paracaídas magnético, y luego use sus cohetes para impulsarlo para el tramo de regreso del viaje, lo que significa que no necesitaría construir una instalación de fabricación de antimateria en su destino (y esto también puede evitar la necesidad de antimateria mágica ultraeficiente handwavium síntesis, aumentando fraccionadamente la plausibilidad de su trabajo).

Ahora para las quejas más detalladas:

En cualquier caso, hay algunos problemas que su análisis inicial pasó por alto:

1. Masa. Tienes un barco que pesa 500 toneladas en su destino, pero 100000 toneladas en el lanzamiento, con toda esa masa extra como combustible . Esto implica que sus tanques de combustible pueden contener millones de kilos de antimateria, pero pesan solo gramos, o que pueden canibalizar perfectamente cada tanque de combustible como el lado de la materia de la reacción del cohete de antimateria. También implica que un motor que genera cientos de petavatios de potencia también pesa una cantidad insignificante, lo cual es extremadamente inverosímil.

   Usar velas de luz para comenzar y velas magnéticas para detener ayuda con el problema de la relación de masa. También reduce los inconvenientes de la producción de antimateria a granel y los problemas de seguridad asociados con el almacenamiento de grandes cantidades de material. Si realmente debe usar un vuelo autopropulsado, entonces navegar por la inercia durante gran parte de su viaje no tomará subjetivamente mucho más tiempo y construir instalaciones de gravedad centrífuga será más fácil que fabricar y almacenar millones de kilos de antimateria durante años.

2. Protección contra la radiación del motor. Los cohetes de antimateria emiten grandes cantidades de rayos gamma (tu nave podría tener un flujo inicial de unos 200 petawtts de las malditas cosas), muchos de los cuales impactarán en tu nave. Si golpean tu antimateria, corren el riesgo de provocar una reacción en cadena que aniquilará tu nave. Si golpean a tu tripulación, morirán. Incluso los generadores de escudos mágicos pesan algo... el blindaje de su nave, su motor de cohete y su combustible no van a ser sin masa. ¡Incluso el diseño Valkyrie/Venture Star de amarre largo no protegerá los cohetes en sí mismos, y todavía necesita llevar combustible hasta ellos para que los tanques de combustible y las líneas también necesiten protección!

3. Blindaje de escombros. Al 99% de la velocidad de la luz, un solo gramo de polvo a esta velocidad contiene aproximadamente 123 kilotoneladas tnt equivalentes. Incluso en el medio interestelar bastante vacío alrededor de nuestro sol, encontrará átomos neutros de hidrógeno y helio, decenas de miles de ellos por metro cúbico, y a máxima velocidad, cada metro cuadrado de la sección transversal de su nave barre más de 296 millones de metros cúbicos. . Este artículo sugiere que un humano sin protección que viaje a más de 0,6c podría esperar recibir alrededor de 10 ⁴ REM por segundo, que es más de 50 veces una dosis letal de radiación. Cada segundo. Estoy bastante seguro de que su barco de 500 toneladas no lleva suficiente protección para protegerse contra este tipo de castigo... necesitará varias toneladas de agua por metro cuadrado de protección. podrías _ser capaz de utilizar algo de su combustible para cohetes para esto, si tuvo cuidado.

   La protección contra escombros se puede manejar parcialmente con soluciones inteligentes para rechazar el calor... el diseño de Valkyrie utiliza un radiador de gotas de líquido estilo "fuente", que rocía refrigerante caliente en el espacio delante de su nave y permite que la propia aceleración de la nave alcance las gotas para recuperarlos. Algunas de las gotas serán dispersadas por el gas entrante y las partículas de polvo, por lo que deberá llevar refrigerante de repuesto, por supuesto. Hay muchos otros enfoques, pero sus detalles están fuera del alcance de esta pregunta.

4. Radiación de calor. Esos rayos gamma necesitan reflejarse o absorberse. A menos que tenga el más mágico de los escudos, el proceso de reflexión necesitará energía y generará calor. Las bobinas de accionamiento necesitarán alimentación y refrigeración. Los refrigeradores criogénicos para sus sistemas de almacenamiento de antimateria necesitarán energía y también necesitarán enormes disipadores de calor. La lista continúa... se trata de un motor de reacción de varios cientos de petavatios, e incluso con eficiencias fenomenales, un conjunto adecuado de radiadores de gotas de líquido podría tener varios kilómetros cuadrados de tamaño y necesariamente pesará miles de toneladas que usted no he tenido en cuenta. La masa de esos disipadores de calor necesitará más potencia de cohete, combustible y masa de reacción para empujarlos, y más protección para ayudar a mantenerlos intactos.

5. Diseño del motor. Los cohetes de antimateria son incluso menos eficientes de lo que podría pensar, porque parte de su propulsor se evapora rápidamente y la masa-energía del resto se pierde en el espacio. Incluso con reflectores mágicos de rayos gamma, su relación de masa será más alta de lo que implica su análisis inicial. Robert Frisbee escribió un artículo interesante sobre naves estelares impulsadas por antimateria (vale la pena leerlo; no utiliza tecnología de navegación y un diseño de rascacielos, y como resultado es realmente enorme, como cientos de km de largo y mucho más lento y simple que su diseño), lo que sugiere que podría necesitar de 4 a 5 veces la relación de masa que necesitaría un diseño de cohete clásico de rendimiento similar. Esto limita drásticamente su delta-V práctico, lo que hace que el impulso hacia arriba y hacia abajo a altas velocidades relativistas sea aún más improbable.

   Si puede manipular manualmente la producción, el almacenamiento y el bombeo de antimateria ferrosa neutra, entonces tal vez pueda salirse con la suya con un cohete de antimateria de núcleo de haz , pero prácticamente la sección transversal de las secciones transversales de las colisiones de partículas/antipartículas es muy baja. La cámara de reacción de su cohete tendrá que ser muy larga para garantizar que todo se queme, y esa longitud hace que la formación de una tobera de cohete o un sistema de cohete de fotones reflectantes sea muy difícil, y aumenta los problemas asociados con el blindaje y el enfriamiento.

   El autor de ese artículo (y, de hecho, los efectos de la radiación en el artículo relativista de naves estelares) sugiere usar un reactor de energía de antimateria y unidades de iones en su lugar. El nivel tecnológico baja un poco y la plausibilidad sube. Por supuesto, si está utilizando velas ligeras y magnéticas, entonces puede usar cohetes de fusión catalizados por antimateria mucho más simples en su lugar para el frenado de fase terminal y las maniobras en el sistema.

Tu primer punto es genial. Las naves espaciales que están dispuestas como si hubiera un "hacia abajo" que es perpendicular a la dirección de empuje son casi siempre un diseño estúpido y un vestigio de las representaciones de naves espaciales como esencialmente aviones o naves navales. Así que sí, diseñar la nave como una pila de pisos consecutivos, algo así como un rascacielos, es objetivamente el mejor diseño para este tipo de nave espacial. Sin embargo, aquí tienes un par de problemas.

1. Vas a necesitar una forma de almacenar esa antimateria.

Su antimateria está, por alguna razón, en forma de antibismuto. OK, lo primero que vamos a tener que hacer es darle una carga eléctrica. No podemos mantenerlo en un tanque hecho de materia, porque tan pronto como toca las paredes, su sistema solar recibe un segundo sol temporal. Así que necesitamos alguna forma de sostenerlo en nuestra nave sin tocarlo. Afortunadamente, hay una manera de hacerlo (aunque solo funciona con antielementos diamagnéticos, el bismuto es afortunadamente el elemento más diamagnético de todos, por lo que es una buena elección de combustible). Sin duda, su civilización increíblemente avanzada también tiene campos magnéticos increíblemente avanzados, por lo que si le damos una carga a nuestro antibismuto, ya sea agregando o eliminando un montón de positrones, puede contenerlo .en un "tanque" hecho de poderosos campos magnéticos. Luego, deberá rodear todo con un tanque físico real para evitar que el medio interestelar, que lo golpeará a> 0.9c, erosione lentamente su antimateria, pero como una civilización súper avanzada, dudo construir un un tanque de combustible grande y absurdamente duradero con un montón de electroimanes cuidadosamente colocados y sintonizados en el interior será un problema. Además, dado que sus campos magnéticos necesitarán contener una gran masa de antibismuto contra 1 g de aceleración, necesitarán una tonelada de entrada de energía, pero dado que su nave se queda sin antimateria, dudo que la generación de electricidad sea mucho. problema. Tenga en cuenta que esto también significa que tendrá que asignar más espacio para su almacenamiento de antimateria que su almacenamiento de combustible normal, así que tome nota de eso cuando elabore diseños, aunque la cantidad de espacio adicional que necesita depende de cuán avanzada sea su civilización. También querrá almacenar tanto su bismuto como su anti-bismuto como líquidos, para que pueda usarlos como combustible sin tener que desmenuzar trozos de antimateria sólida. Esto requerirá mantenerlos agradables y cálidos, por encima de su punto de fusión, así que no olvides incluir algunos calentadores en tu diseño.

2. No solo vas a producir rayos gamma (pero eso es algo bueno)

Contrariamente a la creencia popular, si golpeas un trozo de materia con un trozo de antimateria, no solo obtienes energía. (bueno, técnicamente, si golpeas un positrón contra un electrón, todo lo que obtienes es radiación gamma, pero como estamos hablando de anti-bismuto y bismuto aquí, también vamos a tener anti-protones y anti-neutrones involucrados) . Obtendrá algo de radiación gamma y un montón de partículas de alta energía, algunas cargadas y otras sin carga. Desafortunadamente, probablemente tendrá que desperdiciar los rayos gamma, ya que en realidad no tenemos una forma efectiva de utilizarlos porque, hasta donde sabemos, nada refleja los rayos gamma. Lo que va a usar como empuje tendrá que ser las partículas cargadas (piones para ser precisos, no es que realmente importe), que constituirán aproximadamente dos tercios de la energía del evento de aniquilación, con el otro un tercio son esos rayos gamma desperdiciados. Tendrás que usar una boquilla magnética para dirigirlos, que probablemente se verá como un anillo ancho, delgado y curvo unido a la parte trasera de su barco con algunos puntales de soporte. Así es como se verá el fondo de tu nave, en lugar de un montón de platos parabólicos.

Si agita a mano un material que su sociedad tiene que refleja la radiación gamma, siéntase libre de construir una tobera de cohete física a partir de eso para rodear la tobera magnética (esto probablemente parecería ser una tobera de cohete estándar, en lugar de algún tipo de red de platos parabólicos), pero tenga en cuenta que eso se aleja bastante de nuestra comprensión actual de la física. Todo lo que he expuesto en mi respuesta ha sido "súper avanzado, pero definitivamente posible", un espejo de rayos gamma definitivamente está fuera de ese ámbito.

Entonces, suponiendo que su sociedad avanzada carezca de cualquier espejo gamma handwavium, su nave se verá como una especie de rascacielos, especialmente cerca de la parte superior. La parte superior, donde vive la tripulación, probablemente tendrá forma rectangular o cuadrada, para darles a los molestos humanos sus agradables y regulares habitaciones y, dependiendo de la altura de su nave espacial, puede incluir algo de protección contra la radiación que la separe del resto. de la nave para evitar que los rayos gamma del motor provoquen cáncer a todos, aunque la masa intermedia de combustible ayuda con eso, y a medida que se agota, la cantidad de radiación disminuye a medida que se reduce la potencia del motor para mantener una aceleración constante, de modo que funciona muy bien Los tanques de combustible, debajo de este, probablemente serán cilíndricos, para ahorrar en la masa del tanque y la cantidad de electroimanes necesarios para mantener contenido el antibismuto. Es probable que estos tanques se apilen con el tanque de bismuto sobre el tanque de antibismuto, para simplificar la ya horrible ingeniería involucrada en el transporte del antibismuto al motor sin dejar que toque nada. El motor, en la parte inferior, parecerá ser un anillo ancho y delgado en ángulo (o posiblemente varios anillos concéntricos), unido al casco por medio de puntales. Dentro de esta boquilla magnética invisible, el bismuto, transportado desde el tanque superior, se aniquilará con el antibismuto del tanque inferior y creará una inundación de rayos gamma y piones cargados. Los piones serán canalizados lejos de la nave espacial por la boquilla magnética, proporcionando empuje, y los rayos gamma se dispersarán aleatoriamente en todas las direcciones, y con suerte no darán cáncer a ninguno de sus científicos. Puede haber algo de luz visible desde el sitio de interacción,

Sí, sería un rascacielos, y necesita una forma de resistir esas molestas partículas de polvo interestelar e irradiar calor.

Independientemente de su motor y su fuente de energía, una aceleración constante de 1 g aumentaría lentamente la velocidad de su nave de tal manera que, incluso después de solo medio año luz, cualquier partícula de polvo golpearía su nave con una fuerza enorme, y mucho menos durante un viaje de 5,52 ly (con el mismo problema en la parte de desaceleración).

Sin mencionar el constante impacto ablativo de las partículas de hidrógeno, o algo más sustancial.

Por lo tanto, necesitaría un fuerte blindaje 'superior' para su rascacielos. Y su rascacielos debe ser lo más "delgado" posible para reducir el área transversal expuesta al polvo y al medio interestelar.

Los impactos también generarían mucho calor, y en el espacio es difícil deshacerse del calor.

No solo eso, sino que la parte de peligro crítico sería el 'volteo' de su nave en el punto medio. Agregue a esto que su motor tendría que estar enfrentando los impactos para desacelerar la nave en el tramo de desaceleración, y también estaría expuesto al polvo.

Soluciones posibles:

• Tenga cuerpos de sacrificio delante de su nave espacial habitable, de modo que absorban el impacto del polvo interestelar antes que cualquier nave que pueda poner en peligro la vida.

• Reduzca el área de la sección transversal al tamaño de una casa pequeña, quizás 150 m2 como máximo. Todavía puede tener ascensores para permitir que las personas interactúen, ya que el viaje aún sería de varios años. Puede tener simplemente 2 huecos de ascensor, uno arriba y otro abajo, con la capacidad de 'estacionar' ascensores para permitir que se eludan entre sí. Esto significaría que su nave sería muy, muy larga (o alta...) pero seguiría siendo funcional.

• Separe el protector de la pata de desaceleración y "empújelo" contra él con su unidad, para permitir que la unidad funcione sin exposición al polvo y quizás con mayor eficiencia en la pata de desaceleración.

• Encuentre una manera de irradiar calor hacia adelante, para ayudar a deshacerse de los objetos en su camino también. Tal vez un intercambiador de calor que calienta 'pellets' muy calientes para disparar frente a usted, o enviarlos de alguna manera hacia adelante.

• Modulariza cada nivel de tu nave, de modo que en el punto crítico de 'giro' no estés tratando de girar en forma de molinete (lo que probablemente destrozará catastróficamente tu nave), sino de rotar 'módulos' dentro del cuerpo de la nave. para conservar su relación de aspecto similar a una aguja.

Es una perspectiva emocionante diseñar una nave como esta: siempre he pensado que esta es la mejor solución para el viaje interestelar, obteniendo la velocidad requerida para reducir el tiempo necesario y obtener la gravedad necesaria, en una sola solución. Sigue haciéndonos saber cómo te va con tu trabajo de diseño...