¿Podría un gran radiotelescopio sobrevivir a los vuelos espaciales interestelares?

Recientemente me encontré con ¿Podrían los púlsares realmente actuar como "faros" para ayudar en los viajes interestelares? , preguntó hace una semana. El autor estaba tratando de averiguar si los púlsares podrían ser útiles para el viaje interestelar FTL, porque podrían usarse para encontrar la posición de una nave; la respuesta fue, por supuesto, sí. Sin embargo, tenía algunas reservas. Mi problema principal fue que, desde el punto de vista de la ingeniería, no parece muy factible. Aquí está mi proceso de pensamiento:

  • Para estar seguro de triangular con éxito su posición con un alto grado de precisión, necesitaría tener probablemente media docena o más de candidatos para observar desde cualquier ubicación.
  • Observar un púlsar no es fácil. El problema es que si realiza un salto aleatorio fuera del hiperespacio, no sabrá dónde debería aparecer ningún púlsar a menos que pueda determinar rápidamente una ubicación general. Esto significa que tendrías que hacer muchas conjeturas y, esencialmente, descubrir los púlsares de nuevo.
  • Esto, a su vez, significa que necesitaría un radiotelescopio grande, y eso no es realmente fácil de conectar a una nave espacial típica. Óptimamente, el plato tiene más de 100 metros de longitud.

Digamos que superamos varios otros obstáculos técnicos y necesitamos conectar un radiotelescopio parabólico de 100 metros (aunque estoy abierto a otros diseños, si puede hacer un argumento muy convincente de lo contrario) a una nave espacial interestelar, con el propósito de encontrar y monitorear púlsares para la navegación. Me preocupa si el telescopio podría o no sobrevivir a un viaje a la velocidad de la luz durante un período prolongado de tiempo. Con esto me refiero a la aceleración durante quizás dos semanas a una velocidad de quizás 0.01 C , manteniéndose a una velocidad constante durante tres meses, luego desacelerando durante dos semanas. La propulsión probablemente sería de cohetes químicos.

  • ¿Sobrevivirá el telescopio a las duras condiciones del espacio, incluidos los impactos de micrometeoritos?
  • ¿Habrá alguna tensión física por el movimiento del barco que podría dañarlo?
  • ¿Existen otros peligros potenciales para el propio telescopio y pueden superarse?

Hasta ahora, nadie ha abordado el escenario original con tanto detalle como me gustaría. Me encantaría respuestas que hacen eso; es por eso que hice la pregunta. Sin embargo, no me opondría totalmente a las respuestas que sugieren opciones diferentes pero relacionadas, como usar un tipo diferente de telescopio o usar púlsares de una manera diferente. Pero tendría que presentar un muy buen caso para hacerlo, y aún tendría que justificar que esta opción sobreviviría al vuelo espacial.

Mi motivación para preguntar esto es que he considerado usar púlsares para este propósito en varias historias, pero siempre me he obsesionado con cómo resolver este tipo de problema.

Una pregunta secundaria: ¿por qué uno grande y no muchos más pequeños ?
@Mołot Estaba un poco preocupado por las dificultades para mantenerlos alineados. Estarían unidos a un objeto que se mueve bastante rápido y posiblemente tiembla; en la Tierra, el suelo normalmente no se mueve lo suficiente como para empujarlos. Además, sé más sobre radiotelescopios de plato único que sobre interferómetros.
Pero no es necesario mantenerlos alineados, ¿verdad? Solo necesita alinearlos cuando los esté usando. Además, no veo qué podría crear temblores si su nave no tiene aceleración o está bajo una aceleración constante. Hay muchas cosas a mi alrededor en 1 gramo y nada tiembla ;)
@Mołot Claro, pero esa es mi preocupación. Las cosas van a estar operando durante tal vez media hora para cada púlsar. Mi preocupación por el temblor es una combinación de cualquier problema con el motor y una posible deformación de la propia nave. encogerse de hombros Tal vez lo estoy sobreestimando; en cualquier caso, me gustaría quedarme con la opción de la que sé más, a menos que haya argumentos realmente convincentes en contra de hacerlo.
Si los telescopios solo se necesitaban ocasionalmente para orientarse, ¿por qué no liberar un pequeño número de unidades de vuelo independientes para orientarse y luego llamarlas a la nave? Mejor aún, ¿por qué no llevar un catálogo completo de mapas estelares o al menos algunas de las galaxias más cercanas? Si puede encontrar Andrómeda y Triangulum (ambas visibles a simple vista en buenas condiciones) y otra galaxia local, entonces sabrá dónde está (a menos que esté saltando millones de años luz). Hubiera pensado que la navegación no sería un problema importante, especialmente con la ayuda computarizada.
@Slarty Estoy hablando de este método solo porque parece surgir mucho como una opción potencial. No es necesariamente el mejor , pero me gustaría evaluarlo de todos modos.
Nunca me di cuenta de que la "nave espacial típica" era tan pequeña. Quiero decir, seguro que el de Han Solo podría serlo, pero no el paseo de Darth Vader en esa primera escena de apertura.
También podría tener un conjunto de antenas retráctiles. Apáguelo durante 10 minutos, o lo que sea) obtenga su ubicación y luego vuelva a encenderlo.
No es realmente una idea nueva. ¿No tiene la placa de oro de las Voyagers la distancia del sol a varios púlsares, junto con su frecuencia?
Su pregunta se reduce a: ¿Podemos diseñar algo para que funcione en condiciones que ha descrito de manera muy nebulosa (mirándolo desde el punto de vista de la ingeniería)? La respuesta es, por supuesto, sí". Hay una gran cantidad de soluciones, algunas de ellas se han mencionado aquí. Al igual que con muchas cosas, si está en el nivel de tecnología que le permite FTL, o incluso un viaje interestelar rápido sub-luz, muchas cosas que a veces parecen complejas se vuelven fáciles, o incluso triviales.
"[M]oviéndose bastante rápido y posiblemente temblando". Moverse no es un problema (excepto en la medida en que afecta el impulso de los micrometeoroides); sacudir sería, si dejas que algo sacuda la matriz. Si los motores vibran tanto, reduzca la potencia hasta que dejen de hacerlo. (Podría simplemente deslizarse mientras obtiene sus correcciones).

Respuestas (6)

Una matriz de centelleo + buena computadora = apertura sintética

Los púlsares no son precisamente cosas discretas y tranquilas. Y los radiotelescopios en realidad no necesitan parecerse a los de la película Contacto . De hecho... el radiotelescopio que descubrió el primer púlsar hoy se ve así:

ingrese la descripción de la imagen aquí

La matriz de centelleo interplanetario, el Observatorio de Radioastronomía Mullard, Cambridge, Reino Unido

Sí, esos polos desiguales y cables caídos son los que primero captaron las señales del púlsar que cariñosamente se llamó LGM-1 (Little Green Men 1) .

Por lo tanto, no necesita cubrir su matriz con grandes láminas de metal como las que se ven en las antenas parabólicas. Lo que su barco necesita no es un gran plato, sino una serie de "bigotes". No necesitan ser masivos, solo necesitan ser largos , digamos hasta 100 metros para un buen número redondo.

Una ayuda adicional es el hecho de que puede "hacer trampa" haciendo que una computadora compare las señales de cada bigote diferente. Al ejecutar algunos cálculos matemáticos rápidos y sofisticados en las señales entrantes, crea una antena falsa que es tan grande como si fuera un plato enorme que tiene un radio de cien metros. Esto se conoce como apertura sintética . E incluso si la energía acumulada de las señales del púlsar no llega a ser tan abundante como lo sería con un disco "sólido", la resolución angular extrema es tal que resulta fácil distinguir las señales relevantes del ruido.

Entonces, ¿puede un radiotelescopio que puede escuchar púlsares de "baliza" sobrevivir a un viaje espacial? Ah, sí, puede . Simplemente expulsa los pesos de arrastre que desenrollan los "bigotes" y pronto tendrá la orientación de todos los púlsares que necesita para hacer una estimación precisa de su posición.

Sabes, en realidad he visto uno de estos pero lo olvidé por completo por esto. Todavía preferiría tener un plato parabólico, pero su idea parece resolver algunos de los problemas (por ejemplo, impactos de micrometeoritos ) que me preocupaban. También es mucho mejor para el almacenamiento cuando no se usa. +1.
Gracias por la referencia y la investigación. Sabía que el receptor no tenía que ser sólido, pero no tenía los antecedentes.
@HDE226868. En realidad, si los bigotes comenzaran a usarse porque son tecnológicamente más baratos, la tecnología de los bigotes se mejoraría rápidamente hasta el punto de que fuera al menos tan buena, si no mejor, que la tecnología del plato, a pesar de las aparentes limitaciones físicas iniciales.
@MadPhysicist, hay algunas limitaciones que simplemente no puedes sortear. Por ejemplo, un plato sólido podrá acumular más energía que cualquier colección de cables de diámetro similar, hasta que llegue al punto en que los cables estén más cerca que la longitud de onda que le interesa.
@Marca. Eso es absolutamente cierto. Solo digo que si los platos dieran un rendimiento excelente pero incurrieran en un costo enorme de fabricación, transporte y almacenamiento, etc., mientras que los bigotes dieran un rendimiento adecuado a un costo significativamente bajo y más robusto, la gran demanda de bigotes impulsaría el desarrollo de materiales. , densidad de matriz, software de procesamiento de señales y cualquier otra cosa que fuera necesaria para hacer un juego de bigotes decente comparable a todos menos a los platos más excelentes. Esto sucede con bastante frecuencia en el mundo real. Compare la información inicial con la de sparc frente a la actual para ver un ejemplo.
Presumiblemente, usar púlsares para encontrar su posición con alta precisión sería más fácil si supiera aproximadamente dónde se encuentra, mediante una combinación de saber dónde se supone que debe estar y mapear estrellas visibles (que se pueden escanear rápidamente) contra su mapa de la vecindad estelar . Cuanto más grande sea la computadora que hayas puesto en la nave, más estrellas podrá considerar para tratar de encontrar tu ubicación.
Acepto esta respuesta porque es una gran solución; Estoy publicando una recompensa porque me gustaría que se preste más atención a un análisis de un gran telescopio tipo plato, pero aceptaré su respuesta.
@ HDE226868, permítanme mencionar una cosa aquí que habla en contra del uso de un plato parabólico grande para fines de navegación. Un plato parabólico es muy bueno para escuchar señales débiles, de algo que sabes dónde está . Pero ese no es el caso aquí. Estás buscando para encontrar cosas, lo que significa que tienes que "escanear" el cielo para encontrarlas. El problema con un disco parabólico es que debes moverlo físicamente para poder escanear. En cambio, el uso de una matriz en fase le permite escanear mucho más rápido y, aunque pierde algo de sensibilidad al hacerlo, esto realmente no perjudica su propósito aquí.
Las antenas parabólicas son excelentes para la comunicación punto a punto porque normalmente sabes en qué dirección se supone que debes escuchar. Los platos parabólicos en los lados de transmisión y escucha le permiten mantener la potencia del transmisor al mínimo. Pero eso no es lo que estamos haciendo aquí. Se trata de ubicar estas balizas, y la información que está buscando está formateada de la manera más cruda; no está buscando datos de miles de caracteres por segundo, solo desea ver la existencia de la señal portadora y la frecuencia con la que aparece.

No querrás que tu plato cuelgue en la brisa mientras haces zoom. Lo quieres cuando lo quieres, y no antes ni después. Quieres un plato inflable.

plato GATR inflable

de http://www.gatr.com/products/4m-antenna-system

GATR ha introducido un centro de comunicaciones inflable de clase de 4 metros. La forma y el diseño exclusivos de GATR han permitido que esta antena de 4,0 m de alta capacidad tenga un volumen y un peso un 80% o más menores que las antenas rígidas desplegables de tamaño comparable (4 cajas, menos de 400 libras en total).

Tu elegante y suave nave espacial se desliza por el espacio. Al emerger y desear una fijación en los púlsares, se despliegan los radiotelescopios inflables tipo GATR. Se inflan a un tamaño muy grande, lo que permite una detección rápida de los púlsares en cuestión.

Después de escuchar los pulsos (suenan bien), desinfla los radiotelescopios GATR y bombea el gas de inflado nuevamente a los cilindros. Los GATRS desinflados se empaquetan y su barco corrige el rumbo y se aleja.

Tengo un problema con esto: en una atmósfera, a medida que extraes aire de la cosa inflable, la atmósfera exterior empujará contra el exterior. Sin atmósfera, la cosita inflable permanecerá inflada incluso sin aire interior. Además, un tamaño muy grande significa una superficie muy grande. No estoy seguro de que esto sea más liviano en comparación con un sistema de bigotes mucho más grande en tamaño pero con un peso similar.
@CalinCeteras: Sin mencionar que necesitas llevar una gran cantidad de materia para empujarla, ¿no?
Hay que llenarlo en un vacío casi absoluto. Para llenar una esfera de 100 metros de diámetro a una presión de 1 kg/metro cuadrado, o 1/5 libras/pie cuadrado (1/1000 de la presión atmosférica terrestre) se necesitan unos 600 kg de aire. Sin embargo, en un vacío esto podría ser demasiada presión. Solo como referencia, esa esfera de 100 m de diámetro tendría un área de 30 000 metros cuadrados, o 300 000 pies cuadrados, varias canchas de fútbol.
El plato desinflado podría retraerse usando algo como un molinete. ¿Por que no? Esto sigue siendo una opción.
@Calin Ceteras: llenar un globo hasta la turgencia sin presión atmosférica requerirá mucho menos gas que llenarlo en la tierra, como sugiere. La cuestión de si bombear gas desde un globo espacial lo desinflará es interesante. No estoy seguro. Pero incluso si no se colapsa cuando se desinfla, puede enrollarlo y plegarlo una vez que se agote el combustible.

Ignorar la cantidad de probable avance tecnológico entre entonces y ahora

Un instrumento tan especializado y grande como un radiotelescopio no se mantendría abierto a menos que fuera necesario. Lo que pasa con el espacio es que no tienes que preocuparte tanto por la ingeniería estructural contra la gravedad. Por lo tanto, puede tener estructuras muy delgadas con poco apoyo que pueden expandirse a pedido.

Actualmente en el espacio esto se aprovecha todo el tiempo. Cuando un satélite se pone en órbita, en la mayoría de los casos se despliegan sus paneles solares. Cuando una sonda llega a su destino, se despliegan sus antenas. Un radiotelescopio no es muy diferente de un plato de antena. Esto reduce la posibilidad de que se dañe.

Esto parece . . . un poco complicado Los platos deben ser precisos, y tratar de alinear todo cada vez parece ser problemático.
Realmente no lo es, hay sondas que despliegan antenas de radio todo el tiempo. Es solo ciencia espacial.
No despliegan nada de 100 metros de tamaño y no necesitan este nivel de precisión. Creo que estás subestimando qué tipo de instrumento es este. Una antena de radio utilizada para la comunicación y un radiotelescopio utilizado para observar son cosas completamente diferentes.
Los paneles solares en la ISS son de 73 metros, tenemos la ingeniería para hacer una estructura parabólica expandible flexible que se usa en antenas de radio que también se usan en radiotelescopios (otorgado con mayor precisión). Así que tenemos la base para que esto suceda. Si podemos hacer un motor FTL, seguro que podemos hacer que esto suceda.
Nuevamente, los paneles solares no tienen que tener la misma alineación. Tampoco estoy convencido de que tener FTL signifique que la civilización pueda hacer cualquier otra cosa que quiera.
Mi punto es que no estamos ni cerca de tener la base técnica para un motor FTL, ya tenemos la base técnica para hacerlo. Es por eso que esto es probable.
Sin embargo, realmente debería eliminar esto, me doy cuenta de que la cantidad de contenido aquí es enorme y los enlaces también lo serán.
@HDE226868. Busque el plato IR en JWST : 6,5 m de ancho (no 100 m, pero también debe ser mucho más preciso). Está formado por 18 paneles, cada uno de los cuales se puede enfocar por separado. La parte posterior es un marco bastante complejo, pero liviano. No sería una gran exageración tener un marco completamente plegable capaz de soportar docenas o cientos de pequeños segmentos de platos dada la existencia de la tecnología FTL.
@ HDE226868, una antena parabólica necesita que su curvatura sea correcta dentro de aproximadamente una décima de longitud de onda. Para una señal de 1 GHz, eso no corresponde a desviaciones de más de unos 30 mm, lo que está dentro de las capacidades de la ingeniería actual.

púlsares de rayos X

De https://www.seeker.com/how-to-use-a-pulsar-to-find-starbucks-discovery-news-1766499711.html

Aparentemente, los púlsares de rayos X son más fáciles de ver

O bien, podría buscar púlsares que emitan rayos X, una señal mucho más brillante. Las antenas de rayos X también son más pequeñas y livianas, dice el físico Richard Matzner de la Universidad de Texas en Austin. Su inconveniente es la hipersensibilidad a los electrones que rodean la Tierra.

Pero un sistema de posicionamiento basado en rayos X podría señalar un objeto dentro de los 10 metros, una mejora en la precisión de 100 metros más o menos del sistema de radio púlsar.

Es un pensamiento interesante. AFAIK, esto reduciría la cantidad de púlsares disponibles, pero no podría decir cuánto. Tengo una pregunta: ¿Qué tipo de instrumento necesitaría el barco? Mi conocimiento de los telescopios de rayos X no es fantástico.
@ HDE226868: parece que muchos telescopios de rayos X se colocan en satélites para el problema de los electrones atmosféricos. Dos referencias que encontré rápidamente son: imagine.gsfc.nasa.gov/science/toolbox/xray_telescopes1.html imagine.gsfc.nasa.gov/science/toolbox/… Descargo de responsabilidad: no soy un experto.
@HDE226868 -- el paquete NICER HW debería ser capaz de manejar el desafío (y ya es digno de un vuelo espacial)

El estrés físico del movimiento no será un problema.

Todos los telescopios de la Tierra están construidos para soportar indefinidamente una aceleración de 9,8 m/s 2 .

Se puede acelerar hasta 0,01 c (299.792,4,58 m/s) en el transcurso de 2 semanas (1209600 s) con una aceleración constante de 2,48 m/s 2 .

Dado que esto es mucho más bajo de lo que diseñamos los telescopios en la Tierra, debería ser fácil diseñar un telescopio para soportar ese nivel de aceleración.

¿Puede un telescopio sobrevivir a los impactos de micrometeoritos?

Los datos sobre la densidad de los micrometeoritos son bastante escasos y no pude encontrar ninguno. Sin embargo, creo que es razonable usar la densidad de partículas como indicador. Podemos obtener varias cifras de densidad de partículas de esta publicación en Space.SE, este documento de NASA/Goddard y una selección de citas sobre el espacio interestelar aquí. La clave aquí será la conversión de unidades. Pongamos todo en términos de kg/m 3 .

Del gráfico Space.SE, tenemos alrededor de 2 × 10 − 13 kg/m3 3 en una órbita de 550 km, que es donde está el telescopio Hubble. La densidad del viento solar a la distancia de la Tierra se puede convertir de partículas por cm 3 a la densidad suponiendo una masa de partícula de .002 / 6.02 × 10 23 k gramo . La estimación de 0,002 se debe a que la mayoría de las partículas en el espacio son hidrógeno o helio. Esto nos da una densidad de partículas cercanas a la Tierra de 3 × 10 − 14 kg/m3 3 . Esto también concuerda ampliamente con los números de Space.SE a 1000 km de altitud. Finalmente, para las estimaciones de densidad interestelar de 0,1-1000 átomos/cm 3 , convertimos a través del mismo método a un rango de 1 × 10 − dieciséis - 1 × 10 − 12 kg/m3 3 . Tenga en cuenta que no deberíamos estar viendo el extremo superior del rango, excepto en las nubes moleculares . Suponiendo que podamos dirigir nuestro telescopio lejos de ellos, deberíamos estar viajando por el espacio en el extremo inferior del espectro.

La masa no es lo único que impulsa el potencial de colisiones; la velocidad también lo es. Lo que realmente deberíamos estar midiendo es el flujo de masa, la masa de partículas que encontramos por unidad de área por segundo. Ahora aquí será difícil saber con certeza la velocidad de las partículas en la dirección de un objeto mientras se precipita a través del espacio, ya que este es un problema vectorial. Así que haremos algunas suposiciones para el mejor de los casos para el Hubble y el peor para nuestro telescopio.

Hubble se mueve a aproximadamente 8 km/s. Suponiendo que las partículas no se mueven, multiplicamos la velocidad de Hubble por la densidad de masa de partículas LEO para obtener 8000 ⋅ 2 × 10 − 13 = 2 × 10 − 9 kg metro 2 s . Para nuestro telescopio parado en el viento solar en órbita terrestre, donde el viento solar tiene una velocidad de unos 500 km/s, para un flujo de 500000 ⋅ 3 × 10 − 14 = 2 × 10 − 8 kg metro 2 s . Para nuestro telescopio moviéndose a 0.01c en relación con el medio interestelar (estimación baja, ya que estamos observando hacia dónde vamos), el flujo es 3000000 ⋅ 1 × 10 − dieciséis = 3 × 10 − 10 kg metro 2 s .

Entonces, nuestro telescopio está viendo dentro de un orden de magnitud el flujo de partículas que el Hubble ha estado viendo desde 1993. Entonces, la pregunta operativa es: ¿hubble ha sido dañado por micrometeroides? Bueno, Hubble tuvo un reemplazo de espejo en 1993, pero desde entonces, por lo que puedo decir, el espejo no fue reparado ni reemplazado por ninguna misión de servicio posterior, y el Hubble evidentemente funciona bien hoy. Lo que significa que el excelente equipo óptico del Hubble no se dañó (significativamente) en el espacio durante casi 25 años. A partir de esto, parece que la amenaza de partículas para un espejo espacial gigante no es significativamente mayor que para el Hubble, y podemos esperar una vida útil de 25 años, al menos.

¿Puede el telescopio sobrevivir a la aceleración?

0,01c es 3.000.000 m/s. Dividido por dos semanas te da 2,5 m/s 2 . Dado que esto es menos de 1 g, no hace falta decir que cualquier cosa que pueda sobrevivir estructuralmente al estar en el planeta Tierra también sobrevivirá a esta aceleración. Hay muchas estructuras de al menos 100 m de ancho. Quizás el más aplicable, algunas variantes del Airbus A380 tienen una envergadura de 90 m, por lo que si es factible con materiales aeroespaciales (es decir, aluminio), entonces es practicable en el espacio. Sin ninguna turbulencia en el espacio, no veo ninguna forma de que un telescopio deba ser más fuerte que el ala de un avión grande.

¿Alguna otra consideración?

No puedo pensar en ninguno. En general, creo que deberíamos considerar el destino de las sondas de nuestro planeta exterior. De Pioneer 10/11, Voyager 1/2, Galileo, Cassini y New Horizons, exactamente ninguno de ellos golpeó nada. Por lo que puedo decir, las principales dificultades (con la Voyager 2 y Galileo, si no me equivoco) estaban relacionadas con la radiación. Pero esas dificultades ocurrieron en la proximidad de campos de radiación gigantes. Un buen mapeo del sistema solar debería permitirle enviar su telescopio al espacio profundo sin toparse con ninguna radiación inesperada.

Conclusión

De la evidencia que tengo, concluyo que un gran radiotelescopio podría moverse al espacio profundo sin daños significativos, y podría esperarse que funcione durante décadas, al menos, sin contar las diversas mejoras en la tecnología espacial que podrían esperarse en el corto plazo. futuro.

¿Podría un gran radiotelescopio sobrevivir a los vuelos espaciales interestelares?
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