¿Podría una nube de gas denso, como el xenón, desviar un asteroide peligroso?

Los misiles impactadores o explosivos tienen la ventaja de no tener que igualar la velocidad con un asteroide con destino a la Tierra, por lo que son más baratos y rápidos de lanzar (o eso tengo entendido), y la detección no necesita ser tan temprana. Pero corren el riesgo de fragmentar el asteroide y dificultar el tratamiento del problema.

Entonces, ¿por qué no enviar un misil que libere una nube de gas denso, como xenón o incluso uno de esos gases de hexafluoruro, en el camino del asteroide entrante? La nube no sería muy densa, pero sería enorme, y las velocidades relativas podrían ser enormes. La nube no reduciría la velocidad del asteroide con un impacto cinético, sino con un arrastre aerodinámico. Supongo que la parte difícil sería sincronizar la liberación para que el gas no se disipe demasiado. ¿Podría desviar el asteroide apreciablemente?

El escenario que visualizo es este: detectamos un asteroide entrante. Lanzamos un cohete en una trayectoria para pasar muy cerca del asteroide. Cuando el cohete llega a ese punto, libera una nube de gas para que el asteroide tenga que atravesarla. Esto podría hacerse varias veces en secuencia.

No imagino una nube rodeando la Tierra (ya tenemos una) o flotando en el espacio durante días o semanas. Imagino una sonda de alta velocidad destinada a interceptar el camino de un asteroide entrante, y luego explotar tal vez un milisegundo antes de cruzar el camino del asteroide. En ese milisegundo, la nube de gas se expandiría a un tamaño tremendo, quizás de kilómetros de ancho, que el asteroide debe atravesar. Varias sondas podrían crear una serie de nubes en expansión, una tras otra. Si bien la nube de gas se expandirá rápidamente, reduciendo su densidad, un cálculo adecuado lo tendría en cuenta al integrarse con el tiempo. Los conceptos de la dinámica de fluidos como la resistencia o el choque obviamente se aplican, porque se aplican a medios tan enrarecidos como el viento solar.

Entonces, la pregunta realmente es, ¿cuánta resistencia aerodinámica podría ejercer una nube de gas que se expande en el vacío sobre un asteroide más grande? ¿Podría alterar significativamente el curso o la velocidad del asteroide?

(Al menos otras dos personas, una de ellas el famoso astrónomo Eugene Shoemaker, han sugerido ideas similares, según Wikipedia ).

(Otra pregunta es si una nube de grava podría desviar un asteroide con impacto cinético sin romperlo. Esta es una sugerencia diferente. Otras preguntas sobre el comportamiento de líquidos o gases también son diferentes).

Las armas nucleares son la respuesta. El gas frío en una nube no tiene la energía.
@Deer Hunter: ¡Gracias! ¿Qué importancia tiene la temperatura del gas? Supongo que te refieres a la energía cinética. Postulé que la nube reduciría la velocidad del asteroide con la resistencia aerodinámica, no con el impacto cinético, es decir, el gas es un fluido, no un conjunto de partículas individuales como una nube de grava. El asteroide crearía una onda de choque, turbulencia, etc.
@KokotheTalkingApe El problema es exactamente el hecho de que el gas es un fluido. Un fluido en ausencia de presión se comporta como un conjunto de partículas individuales.
@ named2voyage, tengo entendido que un fluido no actúa como un conjunto de partículas individuales bajo ninguna circunstancia; si lo hace, entonces no es un fluido. En mi escenario, la nube de gas no se dispersaría instantáneamente en partículas individuales, sino que permanecería fluida durante un período de tiempo, entre, digamos, un milisegundo y unos pocos minutos. (Ahora que lo pienso, el viento solar es fluido todo el tiempo, ya que puede tener ondas de choque). Me pregunto si la resistencia aerodinámica ejercida sobre el asteroide sería significativa.
Esto podría ayudar un poco: scienceline.ucsb.edu/getkey.php?key=4455 Una forma de pensar en el gas (o gas congelado) en el espacio exterior es pensar en vaciar una caja de canicas de la parte superior de un edificio alto - las canicas se separarían, con bastante rapidez, pasando de un volumen pequeño a bastante esparcidas y eso es solo un movimiento aleatorio. Un gas en el espacio tendría una alta presión que haría que se desintegrara, probablemente a aproximadamente la velocidad del sonido a la presión inicial.
@userLTK, Absolutamente, bastante rápido. Entonces, ¿qué tan rápido? ¿La velocidad del sonido en qué medio? ¿Qué significa eso para la misión? ¿Haría una diferencia significativa?
Probablemente debería haber dicho (y es una suposición) la velocidad del sonido a la temperatura y presión originales. Una vez que vuela aparte, no hay mucho en el espacio vacío para reducir la velocidad. Anyhoo - Encontré algunas preguntas similares a esta. physics.stackexchange.com/questions/23588/… y physics.stackexchange.com/questions/98666/… y physics.stackexchange.com/questions/1102/a-water-drop-in-vacuum
@userLTK: Ninguna pregunta es similar a la mía. Son sobre el comportamiento de gases o líquidos en el vacío, lo cual conozco. Se dispersan rápidamente. Entonces, mi pregunta, una vez más, es ¿cuánta resistencia podría ejercer una nube de gas que se expande en el espacio (si es necesario decirlo) sobre un asteroide de tamaño considerable? El cálculo, obviamente, debe integrar el arrastre instantáneo en el tiempo, ya que la densidad de la nube no es constante. Además, la velocidad de cierre sería tremenda. El espacio interplanetario ya es lo suficientemente denso como para crear cierta cantidad de resistencia a las naves espaciales, etc. Es muy, muy pequeño, pero existe.
Su pregunta ha ido cambiando a medida que aprende en función de las respuestas. Esto crea una situación de portería en movimiento, las respuestas a menudo se invalidan por tales ediciones. Parte de mi respuesta, por ejemplo, ya no encaja del todo porque la escribí para su concepto en el momento de una nube con la mejor densidad posible. Ha invertido demasiado en este concepto, está interfiriendo con su capacidad para aprender sobre el tema. No hay forma de que este plan se pueda ajustar de tal manera que funcione. Parece que te gusta trabajar imaginando planes como una forma de aprender. Bien, pero elige otro ahora, este te está frenando.
Gracias, @briligg, sé que se ve así. Pero en realidad asumí demasiado en mi pregunta. Supuse que los respondedores tratarían de rechazar el mejor de los casos (velocidades altas, sincronización adecuada, etc.) También supuse que los respondedores sabrían que yo sabía que el gas se expande en el espacio (lo cual es ciencia de la escuela secundaria). Y creo que asumí que todos aquí estaban un ingeniero. La respuesta que busco requiere cálculo aplicado a la dinámica de fluidos, que es un poco más profundo que la clase de dinámica de fluidos que tomé en la universidad. Entonces no, en realidad no he aprendido nada, excepto que tengo que deletrearlo todo.
nube de un gas denso, como Júpiter, ya se desvió mucho ;-)

Respuestas (3)

El gas puede actuar como un freno para objetos en movimiento en el espacio, de hecho, la NASA ha utilizado la atmósfera de (Planetas) como freno en cuatro ocasiones diferentes con naves espaciales. (editado, corrección señalada en los comentarios).

Pero no es muy práctico crear una nube de gas en el espacio. El gas requiere gravedad para mantener su cohesión. En el espacio, una nube de gas se volvería muy difusa y se esparciría muy rápidamente, incluso gas pesado.

Una nube de grava sería mejor que el gas, pero ninguno proporciona ninguna ventaja a un cohete. No hay ningún beneficio en dejar una colección aleatoria de objetos para que actúen como desviación en el espacio por dos razones. Uno, el espacio es muy grande, por lo que la cantidad de material necesario sería enorme (y tampoco se quedaría en el lugar correcto), y dos, una bola de gas o grava en el espacio tendría la misma probabilidad de desviar algo hacia la tierra como lejos.

El verdadero truco es ver con precisión hacia dónde se dirige algo y si se dirige hacia la tierra, darle un pequeño empujón mucho antes de que llegue a la tierra.

Bueno, no imagino una nube aleatoria de gas en el espacio. Me imagino un cohete apuntado con mucha precisión que se cruzará con la trayectoria de un asteroide específico, y justo antes de llegar a la intersección, liberará una nube de gas que el asteroide tendrá que atravesar mientras el gas no se haya disipado por completo. Supongo que podría haber varios cohetes de este tipo, liberando una línea de nubes en el camino del asteroide. Nuevamente, no es necesario igualar la velocidad con el asteroide, lo que requiere una sonda alimentada, por lo tanto, pesada, costosa y difícil de lanzar. Y no hay posibilidad de fragmentar el asteroide.
Bueno, no soy el tipo más inteligente aquí ni mucho menos, pero creo que solo funcionaría si la nube se liberara justo antes del contacto con el asteroide, menos de 2 segundos antes del impacto, tal vez menos de 1 segundo. A temperatura ambiente, las moléculas de aire se mueven a aproximadamente 1,000 MPH. No es difícil ver, usando eso como referencia, qué tan rápido se desembolsaría una nube en el espacio. Pero si está programado para lanzarse justo antes del impacto con el asteroide, creo que es una idea sólida.
¿Messenger realmente usó la atmósfera de Venus para el aerofrenado? Este artículo dice que los dos sobrevuelos de Venus se realizaron a altitudes de 2992 y 398 kilómetros, respectivamente; éste dice que la "altura" de la atmósfera es de 250 km, con un límite superior de 350 km.
Ups. Tienes razón, estoy equivocado. La NASA lo ha hecho 4 veces, pero Messenger no lo hizo. Messenger redujo la velocidad alrededor de Venus (necesitaba reducir la velocidad para entrar en órbita alrededor de Mercurio, pero no fue una de las naves que Aerorompió (¿o es Aerobroke?). Fuente: en.wikipedia.org/wiki/Aerobraking y space.com/… Lo recordaba mal.
@userLTK debería ser aerofrenado. Un freno es un dispositivo para reducir la velocidad. El tiempo pasado de freno está roto. "Aerobroke" es lo que llamas una NASA sin fondos suficientes.

Puede ser útil tener una idea de las escalas involucradas para ver por qué el gas sería ineficaz. Un asteroide rocoso con una forma aproximadamente esférica de 50 m de ancho es probablemente el tamaño mínimo que podría valer la pena montar una misión para desviar (al menos podría decirse, especialmente una vez que nos hayamos expandido mucho en el espacio y esas cosas ya no sean tan difíciles). La masa estimada de tal objeto es de alrededor de 170.000 toneladas métricas . Su velocidad probablemente sería de alrededor de 25 km/s .

Si el SLS estuviera en funcionamiento y pudiéramos enviar una misión para desviarlo mientras se encontraba en la vecindad de la Tierra (en un paso a través de nuestra órbita una o varias veces antes del paso que podría provocar el impacto), la carga útil máxima de gas que podríamos llegar a él es tal vez 10 toneladas métricas 1 .

Si logra colocar esas 10 toneladas de gas justo en frente del asteroide en una nube, se dispersará inmediatamente cuando el asteroide lo atraviese. Es una colección de partículas rodeadas por un vacío, esas partículas se mueven en direcciones aleatorias a alta velocidad mientras chocan entre sí y se expandirán en el vacío extremadamente rápido. En esta situación, el arrastre no se aplica. El asteroide no es un objeto que se mueve a través de un mar de fluido que ejerce presión sobre él desde todos los lados, es más grande y mucho más pesado que la nube de gas que choca, que dispersa con la dinámica de un objeto chocando contra varios pequeños objetos. La nube de gas podría mostrar algún comportamiento análogo a un fluido si ha permanecido lo suficientemente densa, pero sería más como la forma en que hay algunos fenómenos como los fluidos cuando corres a través de un montón de hojas. El impacto mueve las partículas fuera del camino y hacia los lados, no es realmente como un arrastre.

Tenga en cuenta que todas las bombas funcionan creando vacíos parciales, que los fluidos llenan inmediatamente. Liberar un gas en un vacío casi perfecto es como rodearlo con una bomba perfecta, succionándolo hacia afuera en todas las direcciones a la vez.

Por supuesto, el tamaño de la carga útil a entregar aumentará con el tiempo, pero nunca será más efectivo que otras opciones.

1, el Orion MPCV tiene una masa seca de 21 toneladas métricas, pero no es para misiones con el tipo de delta V que esto requeriría. 10 toneladas es una estimación aproximada total de lo que podría quedar para la carga útil una vez que se haya satisfecho la capacidad delta V

No veo por qué no se aplica el concepto de arrastre. Incluso si la nube de gas tuviera menos de 50 m en el momento del impacto (lo que parece imposible), aún se ajustaría al asteroide y fluiría a su alrededor, creando resistencia. Además, todos los fluidos son colecciones de partículas, pero los fluidos son lo suficientemente densos para transmitir movimiento y presión mientras se adaptan a los objetos (mi definición muy aproximada de fluido). La nube claramente se mantendría fluida aunque solo sea por un momento. Como dije anteriormente, incluso el viento solar mismo es fluido, ya que transporta ondas de choque.
Las ondas de choque se producen cuando el campo magnético de la Tierra se encuentra con una eyección de masa coronal del sol, que son miles de millones de toneladas de plasma cargado. La dinámica en esa situación se debe al gran tamaño de los fenómenos, al hecho de que se expulsa a gran velocidad y al hecho de que, debido a que está cargado, responde al campo magnético del sol. Aun así, la masa es muy difusa cuando llega a la Tierra.
Las partículas del viento solar también están cargadas y, por lo tanto, se comportan de la forma en que lo hacen debido a su interacción con los campos magnéticos del sol y otros cuerpos. También se les puede llamar viento porque fluyen constantemente del sol en todas direcciones y, por lo tanto, tienen una densidad constante.
@brillig, Entonces, mi punto es que incluso el gas muy enrarecido puede actuar como un fluido, lo que significa que puede ejercer resistencia. Mi pregunta, por enésima vez, es ¿CUÁNTO arrastre?
@KokotheTalkingApe, con las suposiciones más optimistas posibles, el arrastre total de 10 toneladas de gas reducirá la velocidad de un asteroide de 170 000 toneladas de 25 km/s a 24,997 km/s.
@Mark, ¡gracias! ¿Como sabes eso? Esperaba ver algunos cálculos.
Lo traté como una colisión completamente inelástica (el asteroide barre toda la nube de gas y la arrastra) y apliqué la fórmula de conservación del momento.
@Mark Me sorprendió antes la desaceleración de 3 m/s, pero no estaba seguro de que fuera justo pedirle que explicara sus suposiciones y cálculos en los comentarios. Lo que describe no es un proceso de arrastre, y es tan improbable que requeriría un impulso de improbabilidad infinita para producirlo.
Los fluidos no llenan "inmediatamente" los vacíos parciales de las bombas; más bien, están limitados por (entre otras cosas) la velocidad del sonido en ese fluido. El arrastre por compresión se produce cuando un objeto se mueve más rápido que la velocidad del sonido y, por lo tanto, termina empujando una masa de fluido hacia adelante. Esto es bastante significativo para objetos contundentes como asteroides o cápsulas de reingreso.

Digamos que atrapas el objeto peligroso una órbita antes de que golpee la tierra. Eso significa que le quedan alrededor de mil millones de kilómetros por recorrer, y desea desviarlo, digamos, 10,000 kilómetros (casi un diámetro terrestre). Eso es un (muy) aproximadamente hablando diez partes por millón de ajuste del impulso.

En ese caso, lo necesitará para interceptar una nube de "cosas" con una masa (también muy) aproximada de diez partes por millón del peligro. Suponiendo densidades similares, eso significa que sus cosas, en el cohete, antes de la expansión, tendrán un tamaño de 1/100,000^0.33 o aproximadamente 1/50 del tamaño o la masa del peligro.

Si su peligro tiene 1 km de diámetro con una densidad de 3 g/cm^3 y su xenón líquido tiene la misma densidad (la tiene), entonces necesita una bola de xenón líquido de 20 metros de diámetro para hervir, convertirse en gas y luego quedarse quieto. Por supuesto, si tiene mucho más camino por recorrer, entonces puede usar menos masa.

Si su nube de grava (" micro -impactor"), nube de partículas (" nano -impactor") o nube de moléculas (" pico -impactor") se libera en el espacio, entonces está en órbita, en una órbita, ya sea que nos guste o no - alrededor del sol.

Eso significa que si desea que permanezca frente al objeto peligroso durante mucho tiempo, tendría que estar en la misma órbita o en una similar, con el huevo de pascua de que podría moverse en cualquier dirección. Entonces podría ponerlo en la órbita "hacia atrás" y maximizar la pérdida de impulso.

Todas las nubes impactadoras mencionadas anteriormente funcionan de manera similar, ya sean colisiones moleculares o colisiones de grava, las colisiones "eliminan" el impulso del cuerpo peligroso en términos generales. Todos tendrán alguna fracción de adherencia: la adherencia es la mitad de efectiva que el rebote para la transferencia de impulso.

El término "fluido" se refiere a una aproximación: olvidar temporalmente que existen moléculas y pretender que tiene un material uniforme. Es una aproximación extremadamente útil , pero aquí deberíamos ceñirnos a la visión algo más realista del gas como impactadores individuales y transferencia de momento.

La diferencia entre la nube de partículas moleculares y las nubes de partículas más grandes son las velocidades relativas y el efecto de las colisiones. Si piensa en la temperatura como energía cinética por partícula, cuanto más ligera sea la partícula, mayor será la velocidad para una temperatura dada.

Sin embargo, cuando el gas se expande de 1 metro a 10 kilómetros de tamaño, en realidad es ultra alto vacío (UHV). El camino libre medio es tan grande como la propia nube. Ahora está "frío" después de la expansión, en el sentido de que el movimiento aleatorio es bajo, pero las velocidades ahora están "ordenadas". Las moléculas todavía van rápido, pero se expanden radialmente.

Cuando un gas se enfría por expansión en el espacio, las moléculas no disminuyen su velocidad ni se detienen. "Frío" solo se refiere a la parte aleatoria del movimiento. La parte ordenada (expansión) continuará aproximadamente a la misma velocidad promedio.

Punch line: Entonces, si desea mantener sus partículas en su lugar (es decir, todas en una órbita) por más tiempo, entonces posiblemente las moléculas no sean la mejor opción porque tendrán la tasa de expansión más rápida.

¿Podría una nube de gas denso, como el xenón, desviar un asteroide peligroso?
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