Es mucho más práctico derretir el hielo que perforarlo. La forma más probable de hacerlo es colocar generadores radiotérmicos o un reactor en la parte delantera de la nave.

No sería posible mantener abierto el pozo después de atravesarlo sin instalar un tubo de acero grueso en todo el ancho y largo del túnel. Sin embargo, esto aún se rompería tan pronto como el hielo se moviera (lo que podría suceder todos los días de Europa debido a las fuerzas de las mareas). [corrección: Europa está bloqueada por mareas y, por lo tanto, no tiene días.]

Mis cálculos aproximados sugieren 133 bar, que es más o menos lo que tienes. Esta es una presión aproximadamente 3 veces mayor que la que los grandes submarinos modernos pueden soportar, por lo que su tubería tendría que ser aproximadamente 3 veces más fuerte que un casco de presión Seawolf. Esa es una gran cantidad de material para transportar a través del sistema solar, y cualquier defecto en toda su longitud de 10 km provocaría el colapso.

Si fuera absolutamente necesario para tu historia, probablemente construiría el túnel con alguna versión moderna de Pykrete. https://en.wikipedia.org/wiki/Pykrete Quizás usando una fibra de nanotubos de carbono en lugar de celulosa (e idealmente fabricando el CNT en el sitio). Probablemente haría mejor en ubicar el túnel en un punto que experimente el menor movimiento de hielo. (Presumiblemente lejos de cualquier zona de falla).

Es de suponer que el hielo en el fondo del agujero no sería muy fuerte, ya que está bajo suficiente presión como para volverse líquido nuevamente. Debe alejarse de Pykrete antes de llegar a la capa de agua y usar algún otro material.

Sin embargo, todo este esfuerzo es bastante poco realista con cualquier tecnología que podamos tener en los próximos 100 años. (En mi humilde opinión) Para cuando los humanos tengan la tecnología para hacer algo como sobrevivir físicamente a un viaje al océano europeo, habrán desarrollado hace mucho tiempo muchas tecnologías que socavarían la trama de esta historia, como ingeniería genética muy avanzada que hace que la humanidad sea irreconocible para Lectores, nanobots súper resistentes que ya habrían explorado los océanos de Europa a fondo, y sensores súper avanzados que habrían escaneado los océanos de Europa en detalle a través de los 10 km de hielo.

Además, es probable que si se descubriera vida en Europa (especialmente vida macroscópica), toda la luna estaría total y completamente fuera del alcance de los exploradores humanos por temor a la contaminación.

Acabo de leer la respuesta de JDługosz y él hace muchos puntos buenos que me han hecho repensar mi respuesta.

Bien, la masa de la columna de hielo que debe eliminarse es M = densidad × altura × π × r². Digamos que el radio del agujero es de 5 metros. Basado en eso, obtengo una masa de la columna de 7.2E9 kg (despreciando la compresibilidad del hielo). Para la energía potencial de elevar esos relaves a la superficie, obtengo 11 MW por año. (11 megavatios por 1 año). Si su sistema de eliminación tiene una eficiencia del 50 %, necesitaría un reactor (eléctrico) de 22 MW, que es un hardware bastante serio. Con una eficiencia del 35 %, generaría 64 MW (térmicos). Su máquina perforadora necesitará más potencia para hacer funcionar los cortadores, pero no tengo idea de cómo calcular esto.

La energía necesaria para elevar la temperatura de la columna de hielo a -50 °C (que, según el diagrama de fase del agua, parece ser la temperatura necesaria para sublimar el hielo rápidamente en el vacío) es E = masa × calor específico × cambio en la temperatura. El calor específico del hielo es de aproximadamente 2000 julios/kg°C. Obtengo una energía térmica de 1,7E15 julios o 52 MW al año (térmica).

La entalpía de fusión del hielo es de 333 KJ/KG. La entalpía de vaporización del vapor es 2257KJ/KG. ¿Supongo que solo sumas estos dos para obtener la entalpía de sublimación? (Nunca hice eso en la escuela). Eso me da 1.86E16 julios para cambiar la fase del hielo a vapor o 589MW años, que es un número realmente sorprendentemente grande.

También se me ocurrió después de leer la publicación de JDługosz que el hielo sublimado posiblemente se volvería a condensar en las paredes del túnel (¿aunque tal vez no si el túnel está en el vacío?) Independientemente, el túnel probablemente debería estar aislado en un escenario de fusión.

Independientemente, la gran mayoría de la energía necesaria para el plan de fusión y vaporización se destina a la parte de ebullición del cambio de fase (en lugar de la parte de fusión). Esto tiene sentido intuitivo ahora que lo pienso. Apagar cosas calientes con agua es increíblemente efectivo, y una vez vi un programa de televisión que demostraba que derretir un agujero a través de un glaciar era mucho más eficiente que perforar.

En base a estos resultados, y teniendo en cuenta la (probable) inviabilidad de apuntalamiento del túnel, me gustaría proponer una nueva solución.

Cubrir la boca del túnel con una tapa para mantenerlo presurizado a aproximadamente 1 atmósfera. Todavía te abres camino a través del hielo, pero ahora cubres el interior del túnel de hielo con aislamiento en lugar de apuntalamiento. (Pykrete es una gran capa exterior de aislamiento, pero le gustaría algo más en la capa interior). El agua derretida permanece líquida, lo que significa que no tiene que gastar energía hirviéndola. Esto reduce los requisitos de energía de cambio de fase de 589MWY a 87MWY. Agregando eso a la energía de aumento de temperatura de 77MWY (ahora necesita 0 grados C, por lo que esto es un poco más alto que antes) lo deja con 183MWY (térmico), que sigue siendo una gran cantidad de energía. Ni siquiera incluí la pérdida de calor a través de las paredes del túnel, pero creo que es la parte menos desafiante de toda la misión.

El peso del agua mantiene una presión más que suficiente sobre las paredes para evitar que se derrumben. El calor del reactor perfora el agujero sin la necesidad de miles de toneladas de equipos de perforación (y piezas de reparación y maquinaria para permitirle instalar las piezas de reparación) y... miles de millones (?) de toneladas de apuntalamiento.

Sus exploradores tendrían que vivir dentro de un submarino súper fuerte que es 3 veces más fuerte que un submarino militar moderno, pero mucho menos fuerte que el sumergible de aguas profundas Alvin. (Por cierto, el submarino serviría como un excelente hábitat espacial). El reactor tendría que mantenerse funcionando permanentemente para evitar que la columna de agua se vuelva a congelar, para que no la dejes caer al océano una vez que rompas. a través del hielo. Probablemente el mayor desafío ahora es la masa del aislamiento.

Sería genial si hubiera una buena manera de fabricar celulosa (u otro polímero de rendimiento similar) a partir de materiales que se encuentran en Europa. El hielo de Europa no es 100% agua. http://people.virginia.edu/~rej/papers09/Carlson4019.pdf ¿Quizás los hielos de amoníaco y dióxido de carbono se pueden usar como materias primas en una pequeña fábrica para producir un polímero hidrofílico? ¿La superficie interna del aislamiento podría ser un gel o un hidrato de algún tipo? Quiere algo donde la mayor parte de la masa del aislante sea agua, que se captura y se mantiene inmóvil.

Es mucho más práctico perforar (o hacer un túnel o una cantera) que derretir el hielo.

Considere: aquí tenemos máquinas perforadoras de túneles y otras técnicas de excavación. ¿Derretimos la roca en lava y la bombeamos? No, solo lo llevamos en pedazos.

En un mundo frío, el hielo es un mineral. Así que piénsalo como una roca.

Para derretirlo, debe elevar su temperatura desde una media de -170 °C hasta 0 mientras el material circundante está disipando el calor, y luego agregar la cantidad de energía que habría elevado la temperatura del hielo 80 ° antes. se mueve de nuevo: el calor de la fusión .

Entonces todavía no ha suministrado la energía necesaria para sacar el material del agujero. Y tiene que estar bien aislado para ser canalizado porque está rodeado de frío.

(Las personas en climas más fríos tienen que quitar el hielo de las carreteras y entradas de vehículos. ¿Alguna vez lo derrite y drena el agua? ¿O es más fácil moverlo mientras está sólido?)

Finalmente, el hielo es dúctil y está bajo alta presión: el agujero debe mantenerse abierto agregando un revestimiento sobre la marcha (al estilo de las máquinas perforadoras de túneles) o llenándolo con un fluido denso (al estilo de los pozos de petróleo/gas). ). Simplemente agregar fibra al hielo para hacer un compuesto no será lo suficientemente fuerte. Un cálculo de la parte posterior del sobre indica una presión de 2 MPa (13% del peso terrestre de una columna de hielo de 15 km de altura). Tenga en cuenta que en la Tierra los glaciares son fluidos en el fondo bajo presión, y la roca es fluida en la presión del manto. La parte superior (ultrafría) tendrá la consistencia del granito y la parte inferior (ultrapresión y cálida) como la brea para techos.

La mejor forma de hacer un túnel será la misma que usamos aquí para tratar la roca dura: aplicar presión para romperla y luego barrer los pedazos. Piense en brocas de perforación petrolera como su modelo. Tiene la ventaja adicional de que el hielo es bastante liviano, por lo que puede hacer que flote en el fluido de perforación. Eso hace que sea más fácil mantener las virutas alejadas de la cara de trabajo cuando se excava hacia abajo.

Tal vez no use dientes o presión para romper las virutas, pero puede usar radiación (microondas o láser) para derretir pequeños puntos y romper la cara de trabajo en virutas sin usar herramientas mecánicas de desgaste. ¡Pero no tienes que derretir todo !

Para obtener más información sobre los mantos de hielo en general, consulte esta charla en la serie de coloquios semanales de SETI. Europa en particular parece tener una “tapa fría y estática”.

resumen

La ventaja de la fusión es la falta de maquinaria móvil compleja. Pero no estás hablando de pasar una pequeña sonda a través del hielo sin dejar un agujero; desea dejar un agujero (bastante grande) como punto de acceso permanente. Por lo tanto, se necesitan máquinas de movimiento complejas para colocar el revestimiento y se debe evacuar el material.

La fusión requiere cantidades significativas de energía y debe ser lo suficientemente intensa como para no ser arrastrada por el material circundante.

¡Sospecho que se aplicarán diferentes técnicas a diferentes profundidades, y puede incluir enfriar la parte más profunda para estabilizar el material!

Primero, para llegar al océano, ¿es más práctico derretir el hielo o perforarlo?

Los rusos perforaron un agujero de 4 km hasta el lago Vostok. Usaron un taladro . La tecnología que están utilizando es perfectamente capaz de perforar un pozo similar en Europa.

¿Sería práctico construir hábitats montados en la parte inferior del hielo, en el agua, o sería más fácil perforar habitaciones dentro del hielo?

En esta pregunta calculé la presión del agua en la base de una capa de hielo de 20 km de espesor a 237 atm. Dado que la presión hidrostática escala linealmente con la profundidad, a 10 km de espesor, la presión aún sería de 118 atm, equivalente a 1250 m en nuestro océano. Los submarinos modernos están clasificados para una presión de unos 500 m. Asumiendo que el costo de transporte de los materiales es un factor importante (es decir, mover toda esa aleación estructural desde otra luna/asteroide, luego por un eje de 10 a 20 km), probablemente no valga la pena hacer una gran estructura viva permanente tan profunda. Los humanos necesitan mucho espacio de aire a 1 atm para vivir cómodamente, y es muy costoso tenerlo disponible.

También en esa otra publicación, calculé la exposición a la radiación. 10 m de hielo es realmente todo lo que necesitas, por lo que no tiene mucho valor profundizar demasiado.

Si se derrite/perfora un túnel hacia el océano, ¿sería posible dejar este pozo abierto pasivamente, o las presiones harían que el hielo fluyera de nuevo?

El hielo tiene una viscosidad. De este libro de texto , la viscosidad es aproximadamente$2\times10^{13} \text{Pa}\cdot\text{s}$. Esto significa que una presión interna de$2\times10^{13} \text{Pa}$impartirá una expansión de 1 m/s a una masa de hielo. 118 atm es aproximadamente$1.2\times10^{7} \text{Pa}$, por lo que la velocidad de expansión impartida será$\frac{1.2\times10^{7}}{2\times10^{13}}= 6\times10^{-7}\text{m/s}$que es de unos 5 cm por día.

La presión del hielo sobre cualquier estructura hecha para sostener el túnel sería de unos 12 MPa. Esa presión no es excesiva, pero dado que el hielo es viscoso, no puede simplemente colocar algunos puntales de soporte allí. El hielo rezumará a su alrededor a 5 cm por día. Para colocar un cilindro para mantener el tamaño del agujero, necesita que tenga ... bueno, al menos 10 km de largo. Muy caro.

Los rusos que perforan en el lago Vostok tienen problemas similares aquí. Su agujero tiene solo 4 km, pero dado que la gravedad en la tierra es mayor, la presión también es mayor, hasta 350 atm en el fondo del hielo. No usan una estructura para mantener el agujero, simplemente derriten todo el hielo que se filtra con una mezcla de queroseno, freón y anticongelante, y luego lo bombean.

Esta solución es un poco más difícil para Europa. El lago Vostok en sí tiene aproximadamente -3C, mientras que las temperaturas de la superficie pueden ser tan bajas como -89C (por cierto, el lugar más frío de la tierra). Sin embargo, no perforan en invierno, por lo que entre -20 y -50 °C se parece más a lo que ve el equipo de perforación en la superficie. La temperatura superficial de la superficie de Europa es -160C, pero el océano líquido sería más cálido que Vostok, según el diagrama de fase del agua y la presión anticipada de 12 MPa.

¿Qué tipo de ingeniería se necesitaría para mantener abierto el pozo, suponiendo que mis colonos quieran un ascensor hasta la superficie?

Una vez que se completa la perforación, el orificio se mantiene abierto bombeando una solución anticongelante alrededor de los bordes para derretirlo. El anticongelante interactúa con el hielo, reduciendo su punto de congelación por debajo de cualquier temperatura a la que se encuentre el hielo. La tasa de invasión de hielo es relativamente pequeña, pero dado que el eje es grande, la cantidad de hielo que se debe eliminar es grande. Suponiendo que una media de 2,5 cm de hielo invade los 10 km de longitud del eje, y con un pozo de 4 m de radio, 12600 m$^3$de hielo debe retirarse todos los días, o 12 millones de toneladas. Afortunadamente, al derretir el hielo con anticongelante y dejar que fluya hacia el fondo del agujero por la fuerza de la gravedad, el caudal de 0,14$\frac{\text{m}^3}{\text{s}}$no es poco realista. Eso requeriría 4 mangueras contra incendios estándar de 3" , y es aproximadamente un 50% más de lo que puede obtener de una sola boca de incendios .

El mayor desafío de ingeniería es eliminar el hielo que se está derrumbando en la mitad superior de la capa de hielo, donde las temperaturas están más cerca de -160C que de cero. Ningún anticongelante funcionará a esas temperaturas; el anticongelante del automóvil se congela a -40C y el alcohol a -110C. El anticongelante mismo se congelará. Se necesitará algún tipo de sistema de calefacción. Sería mucho más efectivo, una vez que se cava el pozo, mantenerlo desde el fondo, ya que ese es el lado más cálido del hielo, y dado que la gravedad arrastrará el hielo derretido hacia las regiones más cálidas sin necesidad de bombear; solo tiene que bombear anticongelante y no hielo derretido también.

Básicamente, tiene que bombear su solución anticongelante calentada desde la base de la capa de hielo hasta la parte superior y recuperarla en la parte inferior, separando el anticongelante para su reutilización y, presumiblemente, vertiendo el agua/hielo en el océano.

El bombeo es un gran problema, debido a los límites de cabeza de cierre para las bombas centrífugas. Eliminé las matemáticas como superfluas ya que esta publicación ya es eterna, pero, basta con decir que una bomba centrífuga, que es buena para el bombeo de alto volumen, no obtendrá la presión que necesita. Sin embargo, cualquier buena lavadora a presión puede obtener la presión que necesita (3000 psi = 204 atm) y lo hacen con bombas de desplazamiento positivo. Por lo tanto, necesitará algunas bombas de desplazamiento positivo enormes; el caudal debe ser relativamente alto o el anticongelante calentado se enfriará y congelará antes de llegar al servicio. No es un desafío de ingeniería imposible, ya que los he visto. Si desea 200 gpm de bombas de desplazamiento positivo alternativo de 3000 psi, necesitará alrededor de 400 kW de energía eléctrica, según las bombas que he visto.

Eso nos lleva a generar a.) suficiente calor para descongelar un agujero de 10 km yb.) suficiente energía para hacer funcionar una carga eléctrica de 400 kW para siempre; como referencia , así es como se ve un generador diesel de 100 kW y c.) no necesita una tonelada de combustible. La solución con la tecnología actual es un reactor nuclear. Afortunadamente, ya los tienen en los submarinos, por lo que no es mucho pedir aumentar el casco de presión para manejar una presión más alta e instalar uno en el fondo del hielo para mantener el agujero abierto. Sin embargo, tenga en cuenta que no puede ensamblarlo a 10 km bajo el hielo, por lo que el agujero debe ser lo suficientemente grande como para colocarlo allí en primer lugar. Además, debe reemplazarlo cada 10 a 15 años una vez que se quede sin combustible.

En conclusión

La mayoría de la gente viviría permanentemente en hábitats excavados unos pocos metros en el hielo. Esto daría mucho espacio para la expansión al cavar más madrigueras en el hielo, sin tener que ir a áreas de alta presión, y también manteniendo a los colonos cerca del mundo exterior.

El agujero tendría que ser significativo. Se tendría que insertar un casco de presión de estilo submarino con reactor en el agujero. Sin embargo, dado que el submarino nuclear más pequeño tenía un casco presurizado de unos 4 m de diámetro, el tamaño no tiene por qué ser excesivamente grande. Tal vez un agujero de 7 m y un casco de presión de 6 m con reactor nuclear y equipo para derretir hielo. Esto podría operarse de forma remota, no es una amenaza para la vida humana si el agujero se cierra si no hay personas debajo del agujero. Lo peor que tienes que hacer es volver a perforar el agujero.

De hecho, no anticipo que los humanos caigan por el agujero en absoluto, demasiado peligroso. Solo algunos robots de construcción para instalar tu derretidor de hielo y algunos robots submarinos para explorar. Tal vez un Alvin para exploración, pero nunca querrías intentar atracar y transferir personas al casco de derretimiento del hielo a 12 Mpa.

al perforar/derretir un agujero en un ambiente tan frío, un factor importante es el tiempo que tardan en formarse las nuevas capas de hielo. Entonces, el proceso debería ser lo más rápido posible o podríamos encontrar formas de evitar que se formen capas de hielo en un área localizada.

El hielo se forma cuando las moléculas de agua se mueven lentamente debido a la baja energía y es más fácil que se enganchen entre sí compartiendo electrones. cuando se agrega sal, las moléculas de sal se organizan alrededor de las moléculas de agua como pequeñas vallas y evitan que las moléculas de agua se enganchen entre sí. Pero si se enfría lo suficiente, alrededor de 28,5 grados Fahrenheit o -2 Celsius, el agua del océano también se congelará.

fuente : http://quatr.us/chemistry/atoms/ice.htm

Entonces, si podemos construir nanoestructuras que puedan evitar que las moléculas de agua se enganchen fácilmente mientras permanecen localizadas en esa área en particular y se degradan fácilmente después de un tiempo. Entonces solo tenemos que poner el material nano y esperar sin preocuparnos de contaminar el entorno alienígena. Ha habido algunas investigaciones en esta área.

Ha habido informes de criovolcanes y géiseres de hielo de agua provenientes de Europa, muy probablemente causados ​​por grietas en el hielo debido a las fuerzas de las mareas.

Parece que en lugar de tratar de perforar el hielo, lo más simple sería esperar a que se formen grietas naturales u otras aberturas y luego moverse a través de ellas. Incluso si no son lo suficientemente anchos de forma natural, proporcionarían un punto de partida para ayudar a la perforación y el flujo de agua se llevaría el hielo perforado.

Por supuesto, esto sería arriesgado, ya que si la grieta comenzara a cerrarse, las fuerzas involucradas serían inmensas, pero ese es un peligro al que se enfrenta cualquier intento de penetrar la corteza. Lo más probable es que los enviemos a través de vehículos no tripulados, en cuyo caso podrían hacerse pequeños e insertarse directamente a través de las grietas y criovolcanes sin necesidad de perforar en absoluto. Tendría sentido algún tipo de sistema de enjambre con miembros del enjambre deteniéndose a intervalos para actuar como repetidores de comunicaciones.

Una cosa que las otras respuestas pasaron por alto es la necesidad de meterse debajo del hielo lo más rápido posible. Los inmensos campos de radiación alrededor de Júpiter hacen que esto sea imperativo, ya que los humanos y los dispositivos electrónicos desprotegidos recibirán una dosis letal de radiación en un período de tiempo relativamente corto. La alta velocidad es esencial.

Debido a que el hielo será tan duro como la roca en la superficie, debido a la exposición directa al espacio y la energía térmica que se irradia rápidamente, existen algunas posibilidades. Esta técnica utiliza proyectiles de alta velocidad disparados por un tubo para golpear la cara de trabajo a velocidades medidas en kilómetros por segundo. Este tipo de energía rompería la roca. En el caso del hielo, rompería el hielo y posiblemente derretiría las paredes del tubo, proporcionando una superficie lisa improvisada para colocar las paredes del túnel (para aislamiento y para economizar materiales, un material espumado hecho de rocas de silicato importadas de otra luna joviana debería ser suficiente).

Esquema del acelerador Ram

Martillar el hielo de esta manera tiene la desventaja de que habrá grandes áreas de hielo resquebrajado saliendo del exterior del túnel. Este hielo roto eventualmente puede "fluir" de nuevo junto con la presión estática y la acción de las mareas jovianas, pero eso es a largo plazo y no tiene el tipo de control de calidad que tienen las soluciones de ingeniería.

Como alternativa, si las naves espaciales y los módulos de aterrizaje tienen motores de fusión o nucleares, el poder del escape podría usarse para derretir rápidamente el hielo. El chorro de plasma se derretirá rápidamente a través del hielo, y un problema sería la ventilación de las nubes de vapor liberadas por el proceso, o la protección del conjunto del motor desmontado mientras corta el hielo. Conceptualmente, el motor podría sostenerse en un marco articulado que se agarra a los lados del túnel y puede dirigir la columna de escape en la dirección deseada. Una vez que el hielo se ha derretido y el vapor se ha despejado, se puede "caminar" por el marco moviendo las patas de apoyo, mientras que una "máquina de acabado" sigue y recubre el túnel. Este método también permite que el dispositivo esculpe cámaras más grandes en el hielo, una vez que se alcanzó la profundidad suficiente para la protección contra la radiación.

Si un cortador de plasma pequeño puede tallar acero rápidamente, el hielo no debería ser un problema

Si bien también habrá un problema de grietas que se irradian desde el túnel o la abertura, la energía térmica debería ser capaz de crear una pared relativamente gruesa de hielo fresco, brindando soporte hasta que los ingenieros puedan estabilizar el área con "pernos de roca", inyectando calor agua como lechada para rellenar y sellar grietas (algo así como una máquina Zamboni gigante utilizada para preparar superficies de hielo en arenas) y revestimientos instalados.

Para proteger el túnel de los daños causados ​​por la fuga de calor de la base, aislando la base del frío intenso y protegiendo la base del inevitable movimiento del hielo, creo que la mejor solución sería tener un revestimiento interior con separación entre los paredes de hielo y la parte tripulada de la base, como un matraz aislado.

Varias de estas ideas podrían usarse en conjunto. El acelerador Ram podría usarse para perforar orificios piloto para que el motor de fusión desmontado dirija la columna de escape. Se podrían perforar orificios adicionales en paralelo para que cuando se use el chorro principal, el vapor pueda fluir hacia los túneles paralelos a través de grietas en el hielo y escapar, protegiendo la plataforma de conducción del trabajo en un baño de vapor. Incluso el agua de deshielo podría bombearse en formas y volver a congelarse para crear ladrillos de hielo puro, libres de gases atrapados y sin fallas ni grietas internas. Estos ladrillos de hielo se pueden usar para crear el revestimiento inicial del túnel, muy parecido a una bóveda de cañón, excepto que es completamente circular.

La perforación es una tecnología relativamente conocida. La diferencia aquí es que necesita perforar profunda y rápidamente para hacer estructuras habitables en un tiempo razonable.