¿Es práctica una bola de hielo como masa de reacción y protección delantera?

La llamada tiranía de la ecuación del cohete , que se aclara al examinar la ecuación del cohete de Tsiolkovsky , que define el cambio máximo en la velocidad$\Delta v$como:

dónde$m_0$es la masa húmeda,$m_1$masa seca y$v_\text{e}$velocidad efectiva de escape de la masa de reacción, muestra que:

Los cohetes son máquinas de impulso. Expulsan gas por una tobera a alta velocidad, lo que hace que la tobera y el cohete acoplado a ella se muevan en la dirección opuesta. Isaac Newton definió correctamente las matemáticas para este intercambio de cantidad de movimiento en 1687. La conservación de la cantidad de movimiento aplicada a un cohete fue realizada por primera vez por el visionario y científico ruso Konstantin Tsiolkovsky en 1903. Todos nuestros cohetes se rigen por la ecuación del cohete de Tsiolkovsky.

Esto significa que la masa de reacción que necesitan llevar consigo los cohetes convencionales (cohetes químicos, cohetes térmicos,...) mientras es necesaria para lograr el empuje ($\mathbf{T} = \frac{dm}{dt} {v}$) y con su movimiento en la dirección opuesta a su escape, siguiendo directamente los principios descritos en las leyes del movimiento de Newton , también aumenta su masa inicial y con ella impide el total alcanzable.$\Delta v$. Y a medida que te acercas a velocidades relativistas, toda esa masa se vuelve más pesada y requiere aún más energía para acelerar más rápido.

Todo esto significa que el aumento de la masa del cohete mediante la adición de sistemas adicionales requeridos o la masa de blindaje reduce directamente su rendimiento. Acelerará más lento y llegará a su destino más tarde. En lo que respecta a la exposición a los rayos cósmicos y al flujo de protones de alta energía solar , la dosis de radiación se rige por la duración de la exposición, su intensidad (proximidad a su fuente) y algunos otros factores más o menos invariables que podemos. t control con sistemas de cohetes solo, como nuestra densidad corporal.

No hay mucho que podamos hacer para bloquear las partículas sin carga más energéticas en los rayos cósmicos (como los neutrinos , y si no recuerdo mal, necesitaríamos un bloque de LED de muchos años luz de espesor para bloquear la mitad de ellos). En cuanto a la radiación eV más pequeña, aparte de reducir el tiempo de exposición, hay formas de desviar la mayoría de las partículas cargadas con un campo magnético dipolar y/o bloquear las partículas de masa de menor energía protegiendo la masa, donde el agua (o el hielo de agua) es bastante bueno en eso. (ver otra respuesta también relevante ).

Por lo tanto, tiene mucho sentido disminuir el tiempo de exposición, acelerar rápidamente mientras se encuentra en el sistema solar interior (proximidad al Sol), desacelerar aún más rápido en su destino ya que el cohete es más ligero para entonces y acortar el tiempo total de viaje. Entonces, sí, reutilizar la masa de cualquier cohete para múltiples propósitos tiene mucho sentido, e incluso si esa masa es un consumible, sería necesaria como masa de reacción de todos modos, entonces, ¿por qué no usarla también como masa protectora para el escudo biológico ? Dado que es agua, es probable que también la use para otros fines, como una fuente de oxígeno, agua potable, refrigerante... y puede reciclar la mayor parte de eso , por lo que siempre habrá al menos algo disponible y no todo ello consumido como masa de reacción.

Sin embargo, a menos que el diseño del cohete lo requiera, el escudo frontal solo tiene sentido si la fuente de la mayor parte de la radiación que le gustaría bloquear proviene del frente del cohete, lo que significa que probablemente esté viajando en una fracción significativa del la velocidad de la luz ya (en cuyo punto una colisión con un grano de polvo podría ser catastrófica, debido a$E_\text{k} =(m c^2)/(\sqrt{1 - v^2/c^2}) - mc^2$con$E_\text{k}\approx\tfrac{1}{2} mv^2$cuando$v$es mucho más pequeño que$c$, vea la explicación aquí ), son más rápidos que la materia dañina detrás de usted, y por alguna razón no le preocupan los impactos ortogonales a su vector de viaje, de lo contrario, es probable que desee proteger el módulo de la tripulación por todas partes, no solo desde delante del barco. Como, por ejemplo, en este diseño conceptual de un módulo de aterrizaje de exploración tripulado para el asteroide Ceres y las lunas de Saturno Rea y Iapetus (PDF):

Así que TL;DR- Tiene mucho sentido reutilizar la mayor cantidad de masa de reacción del vehículo para múltiples propósitos, incluido el aumento de la protección contra la radiación dañina y el impacto con desechos más pequeños en áreas y velocidades relativas donde es más probable que suceda y la energía cinética total descargada en el impacto puede protegerse contra. También disminuirá el tiempo total de viaje, reduciendo aún más el tiempo de exposición a la radiación dañina. Pero es probable que el blindaje delantero únicamente no tenga mucho sentido, si esta masa de bioescudo pudiera distribuirse por todo el módulo de la tripulación. A medida que el vehículo aumenta la velocidad y si eso en sí mismo cambia la dirección de la radiación dañina y la probabilidad de impacto en el lado de la nave que mira hacia el ariete, entonces parte de la mitigación de la amenaza también podría ser el uso gradual de la masa de bioescudo desde donde es menos necesario primero.

Songs of Distant Earth de Arthur C. Clarke presentó una nave estelar de generación que viajó de un sistema estelar a otro. Reconstruirían su escudo delantero de hielo de agua cada vez que se detuvieran en un sistema estelar. Se necesitaba el escudo delantero porque el impacto de incluso una pequeña mota de polvo en pequeñas fracciones de c podría causar mucho daño.

El hidrógeno y el oxígeno son abundantes. Ver Abundancia de Elementos en el Universo . Entonces, el agua debería estar disponible en la mayoría de los sistemas estelares donde visitaría una nave de generación. El hielo de agua comienza a sublimarse a un buen ritmo a 90 Kelvin, pero las temperaturas en el vacío interestelar generalmente deberían estar muy por debajo de eso.

La cerámica podría ser una mejor opción para un escudo de ablación que se sumerja en una atmósfera planetaria densa. Pero para una nave estelar que viaja a 0,1 c a través del medio interestelar, el hielo de agua podría ser una buena opción.

Altamente especulativo ya que no haremos viajes interestelares en el futuro cercano (si es que alguna vez lo hacemos).

Si está hablando de viajar por nuestro sistema solar, no creo que se necesite un protector contra el polvo.

"... nuestro sistema solar... no creo que se necesite un protector contra el polvo" - para empezar, solo hay UN 'sistema solar': ¡el nuestro! El sol es SOL - por lo tanto, "solar" - hay otros sistemas STAR, por supuesto. Si bien esto puede parecer obvio, los científicos odian las conversaciones descuidadas.

En segundo lugar, no importa DÓNDE viaje, importa qué tan rápido vaya. Al 20% de la velocidad de la luz, es mejor que una nave en camino a visitar Plutón o incluso Ganímedes tenga protección, muchos iones más pesados ​​​​flotan desde el sol y micrometeoroides por ahí. (También es mejor que tenga una excelente manera de detenerse: un cohete químico necesita la velocidad inicial de masa gastada al CUADRADO para detenerse, lo que presenta todo tipo de problemas de ingeniería).