¿Podrían las naves en el espacio usar un motor de vapor?

Usar vapor para impulsarse en el espacio obviamente requiere que usted:

1) Tener un suministro constante de agua

2) Tener energía para hervir dicha agua

Es posible que pueda recoger agua de los cometas, etc., pero sigue siendo un proceso muy derrochador, y el agua no crece simplemente en los árboles... en el espacio.

Además, el agua y los sistemas grandes y complejos no suelen funcionar bien juntos. Lo último que desea es que las tuberías se oxiden en su motor, sin mencionar que cada vez que apague el sistema, el agua comenzará a congelarse y las tuberías reventadas realmente podrían arruinar su estadía en otro sistema estelar. Aquí en la Tierra tenemos el lujo de poder fabricar constantemente nuevas tuberías y repararlas/mantenerlas, pero en una nave de generación sería mucho más difícil.

En general, habría muchos desafíos prácticos para implementar ese tipo de sistema de propulsión.

Depende de lo que entiendas por "máquina de vapor". Un motor tipo NERVA que utilice un reactor nuclear con agua como masa de reacción sería una máquina de vapor, ¿no? Lo mismo si el agua se calentara con un reflector solar de concentración.

De hecho, los cometas cambian sus órbitas de esa manera, ya que la luz solar hierve el agua (u otros volátiles).

Una máquina de vapor en el espacio (suponiendo que te refieres a una máquina de cohetes de vapor) no solo es factible, sino que, en algunas circunstancias, incluso deseable. El sitio de Neofuel presenta un caso sólido de usar agua directamente de cometas, asteroides, etc. en lugar de descomponerla en hidrógeno y oxígeno, principalmente porque la masa adicional de equipo necesaria supera las ventajas de un ISP más alto.

Todo lo que realmente necesita es una fuente de energía para calentar el agua y convertirla en vapor, y ya está. Esto puede variar desde espejos solares ( una polilla solar ), emisión de láser o energía de microondas a la nave o el uso de un rector nuclear a bordo. Siempre que el agua reciba suficiente energía térmica, tendrá vapor. Acelerar el motor es tan simple como ajustar el caudal de agua a través de la fuente de calor.

La propuesta NEOfuel para un cohete a vapor

Esquema simplificado del cohete de vapor NTR. Las vejigas de agua serían mucho, mucho más grandes en la vida real

La desventaja de un cohete de vapor es un ISP realmente terrible de 195, en comparación con @450 para los motores de combustible líquido H2/O2 ideales o entre 800-1200 para los motores de cohete NERVA de hidrógeno. Estarías usando enormes masas de agua para ir del punto A al punto B, y llegar de la Tierra a los planetas exteriores tomaría muchos años en el mejor de los casos. El sitio de NEOfuel calcula que un camión cisterna de agua con una carga útil de 10 000 toneladas transportaría 325 000 toneladas de agua como masa de reacción.

Configuración final: Opción H2O NTR

10.000 toneladas de carga útil neta

358.000 toneladas de agua propulsora

Vejiga de agua de 104 toneladas

Blindaje de tanque de vejiga de agua de 208 toneladas

Motores de cohetes térmicos nucleares de 656 toneladas

Extractor de agua de 122 toneladas

Por el contrario, la opción LH2 funciona así:

10.000 toneladas de carga útil útil

(138.000 a 453.000 toneladas de agua para LH2) 15.400 toneladas a 50.300 toneladas de propulsor LH2

Tanques blindados LH2 de 154 toneladas a 503 toneladas

472 a 1536 toneladas de motores LH2 NTR

48 - 156 toneladas para extraer agua

559 a 10248 toneladas de electricidad para electrólisis

70 a 5027 toneladas para hardware criolizador

372 a 10609 toneladas de electricidad para criolizador

Por lo tanto, el vapor es un medio para obtener cargas útiles a granel de bajo costo alrededor del sistema solar de manera económica, pero tendrá que aceptar un ISP bajo, cantidades masivas de agua que se utilizan como masa de reacción y largos tiempos de viaje.

Sí, podría hervir agua para acumular mucha presión y ventilar el vapor como propulsor, y la nave espacial se movería. Pero se movería muy lentamente, y luego estarías fuera del agua.

No es un mecanismo de propulsión muy eficaz.

La pregunta no decía que se necesita usar la máquina de vapor para impulsar el barco.

Entonces sí, si el barco es lo suficientemente grande y necesita mucha electricidad, es factible usar una máquina de vapor, o más específicamente, una turbina de vapor. El agua no se hierve quemando carbón, sino por fisión nuclear. Hay barcos y submarinos modernos que hacen esto. Por supuesto, también lo utilizan para la propulsión, ya que los motores eléctricos hacen girar las hélices. Obviamente, no puede usar hélices en el espacio, pero si sus necesidades eléctricas internas son lo suficientemente altas, se puede garantizar un reactor nuclear en una nave espacial de este tipo. Y, los reactores nucleares son en realidad una forma de máquina de vapor.

Depende de cómo llames a una máquina de vapor. Obviamente, no se puede usar una locomotora de vapor, ya que en el espacio no tenemos apoyo externo, por lo que necesitamos un motor a reacción. Pero, ¿puede un motor a reacción usar vapor para impulsarse? Un motor de cohete podría funcionar usando hidrógeno líquido y oxígeno líquido, produciendo agua caliente (=vapor) en el proceso. Pero, ¿podemos seguir llamándolo "una máquina de vapor"?

No he hecho los cálculos sobre esto, pero me parece que una máquina de vapor sería increíblemente tonta ya que el H y el O que estarías mezclando y luego hirviendo solo para ser liberados en el espacio requerirían más energía para producir un empuje similar o menor. que simplemente arrojar oxígeno /? como la mayoría de los propulsores RCS actualmente. Tan posible, pero no factible.

El libro Seveneves de Neal Stephenson muestra personajes que incrustan un reactor nuclear en el centro del núcleo de hielo de un cometa, luego derriten el hielo del cometa en vapor para usarlo como impulso, convirtiendo todo el cometa en una nave espacial y un motor de cohete.

Entonces, si tiene un trozo de hielo de 2 km de diámetro para usar como fuente de agua, ciertamente es posible.

No, no por ninguna definición sensata de máquina de vapor , al menos no para propulsión (ya que mencionaste arrastre, me centraré primero en la propulsión).

Un cohete funciona arrojando propulsor hacia atrás. Esto proporciona empuje hacia adelante. Ahora, para ganar más velocidad de avance, debe arrojar más propulsor o arrojar el propulsor más rápido .

En mecánica orbital, no hay arrastre, sí. Pero todavía estás sujeto a la gravedad. No eres ingrávido, estás en caída libre, lo que significa que los objetos y las personas dentro de la nave espacial parecen no tener peso. Estar en órbita significa caer de lado lo suficientemente rápido como para perder el suelo y girar.

Para cambiar tu órbita, necesitas cambiar tu velocidad. Esto se llama delta-v (que literalmente significa "cambio de velocidad").

Necesitas cambiar las velocidades bastante drásticamente. Para llegar desde el suelo a la órbita terrestre baja (LEO), necesita tener ~ 9400 m / s delta-v solo.

Entonces, volviendo a lo que dije antes, puede arrojar más propelente o arrojarlo más rápido. En su nave espacial, el suministro de combustible es limitado. Por lo tanto, maximizar la velocidad a la que arroja el propulsor es el factor clave. Esto se llama la velocidad de escape .

Pero no puede hervir el agua a temperaturas arbitrarias, por lo que la velocidad de escape (que se logra expandiendo el escape en una boquilla de laval) sigue siendo limitada. E incluso si pudiera hervirlo a temperaturas arbitrarias, aún necesita combustible para hervirlo en primer lugar, que también es limitado.

Resulta que puedes construir un cohete de vapor. pero es terriblemente ineficiente. Según este sitio de Wikipedia , puede lograr un Isp de 195 s con un cohete de vapor, muy por debajo del cohete Hydrolox moderno que logra un Isp superior a 450 s (Isp y la velocidad de escape están estrechamente relacionadas, ve = Isp * g0).

Así que tu eficiencia es horrible. Esto significa que la única forma de llegar a cualquier parte es aumentando la masa propulsora. El concepto de "fracción de masa" es bastante importante para los cohetes modernos. Para darte un ejemplo, el tanque externo STS era 96% de combustible y solo 4% de estructura. Una lata de refresco tiene 94% de refresco y 6% de estructura (en peso). Entonces, el ET tenía más porcentaje de combustible que una lata de refresco. Los cohetes modernos como el Ariane V o el próximo Ariane 6 tienen aún más propelente.

Puede ver fácilmente que no es realmente factible mejorar milagrosamente la fracción de combustible por un gran margen (o ya lo habríamos hecho, mientras usamos propulsores más eficientes).

Esto te deja con el uso de máquinas de vapor para sistemas eléctricos. Podría, en teoría, usar un reactor nuclear, que hierve agua y luego hace girar las hélices.

Pero eso no es tan emocionante y steampunk como usarlo como propulsión.

$F=ma$

Primera ley de Newton (corrígeme si me equivoco). Segunda ley, por cada acción hay una reacción igual y opuesta. Básicamente, para avanzar, necesitas empujar mucho algo detrás de ti a baja velocidad o muy poco algo a alta velocidad.

Cuando caminamos, aplicamos una pequeña cantidad de fuerza, aceleración, en dirección opuesta a donde caminamos. Simplemente no se nota, porque la tierra es muy grande y nosotros somos muy, muy pequeños.

¡Vamos a averiguar!

En el espacio, usas la conservación del impulso para impulsarte. Básicamente, arrojas masa muy rápidamente hacia atrás para impulsarte hacia adelante.

Los sistemas más eficientes utilizan partículas muy pequeñas con velocidades muy muy altas. Los sistemas más simples usan la combustión para crear gas caliente que crea presión que crea velocidad de escape.

El empuje de un motor de este tipo es la velocidad de escape multiplicada por la tasa de escape (cuánta masa envía * qué tan rápido la envía).

La cantidad de masa puede variar según el tamaño del escape, cuántos motores tiene... así que concentrémonos en la velocidad del escape:

Se sabe que las calderas de vapor de las locomotoras soportan hasta 1500 psi (10,34 MPa), o alrededor de 100 atm.

Desafortunadamente, no tengo idea de a dónde ir desde aquí. Mi comprensión de ese tema es demasiado limitada para hacer los cálculos.

Sin embargo, me temo que sería decepcionante, ya que los motores de cohetes metalox tienen velocidades de escape de 5000 m/sy más.

Sospecho que detrás de la pregunta hay una motivación steampunk.

En ese caso, es útil reconocer que lo que en el siglo XIX se denominó "energía de vapor" era en realidad una palabra clave para el carbón alimentado a través de una turbina de vapor.

Si bien la práctica terrestre con las máquinas de vapor consistía en ventilar el vapor y repostar con agua en el camino, podría tener algunas funciones internas de una nave espacial impulsada por carbón y, en lugar de ventilar el vapor, enviarlo a un área de enfriamiento expuesta. al frío del espacio y luego lo reciclan.

Esto sería inútil para propósitos de propulsión y requeriría mucho peso por densidad de energía, y probablemente querrá ventilar el escape de partículas de la combustión del carbón en un espacio vacío, pero podría hacer funcionar los sistemas de soporte vital a bordo y el calor generado por el motor también podría calentar el barco.

Para la propulsión a la órbita, desde una perspectiva steampunk del siglo XIX, es posible que desee lanzar la nave espacial con sistemas internos alimentados con carbón desde un enorme cañón al estilo de Julio Verne, o algún tipo de catapulta gigante, o una explosión de gas hidrógeno en un tubo de vidrio largo, posiblemente desde una gran altura alcanzada a través de un globo o una aeronave.

Para devolver a sus ocupantes a la Tierra, la nave podría romperse en dos pedazos como un cohete de una etapa que se separaría quizás con un resorte de metal altamente enrollado que podría liberarse cuando fuera el momento de volver a entrar. Ni el método de lanzamiento ni el método de retorno proporcionarían tanto empuje, por lo que necesitaría limitar los viajes espaciales a la órbita cercana a la Tierra (y si la cápsula de aterrizaje apuntara en la dirección incorrecta cuando se activa, todos morirían, mientras que si alguien no lo hiciera). en la cápsula de aterrizaje cuando se activó, esa persona moriría, en cualquier caso en el espacio profundo después de que finalmente se agotaran los suministros de soporte vital). Después de la operación de resorte de retorno, se podría usar un paracaídas estilo Apolo (o mejor aún, un paracaídas inspirado en un enorme paraguas victoriano) para proteger a la gente en la cápsula de aterrizaje.

Si bien no podría llegar a la Luna, y mucho menos a ningún otro lugar de esa manera, podría obtener una vista del mundo a gran altitud (para fines que van desde el espionaje hasta la predicción del clima) sin tener que tener un ala de avión en funcionamiento (algo no desarrollado hasta principios del siglo XX por los hermanos Wright), y también podrías subir y luego aterrizar en otro lugar de la Tierra para dar la vuelta al mundo en cuestión de horas en lugar de los 80 días en globo de Verne. También podría usar el punto de vista del espacio para un telescopio espacial temprano para la astronomía de precisión imposible desde la Tierra en ese momento.

Mientras permanezca dentro de la nave fuerte y hermética (quizás revestida con plomo para evitar que los rayos cósmicos causen demasiado daño), no habrá necesidad de trajes espaciales. Podrías viajar con saco y corbata.

Puede usar una máquina de vapor calentada por una fuente de calor de muy alta densidad de energía para producir vapor para hacer girar las turbinas y producir electricidad (este sistema se conoce como 'plantas de energía nuclear' aquí en la Tierra). Recicle su vapor de regreso al sistema; de lo contrario, deberá buscar hielo cometa para volver a llenar sus tanques. Use esa electricidad para impulsar la propulsión pura de láser/microondas que no requiere ningún propulsor adicional (bueno, casi, perderá masa debido a los fotones que salen del extremo comercial de su cohete). Su propulsor es la luz, que es muy liviana pero vuela a la máxima velocidad posible, no puede ser más rápida que la velocidad de la luz en esta realidad. Dado que las máquinas de vapor son algo ineficientes, una parte significativa de la energía se escapará en forma de calor y calentará la nave y finalmente se irradiará lejos de ella, lo que puede funcionar a favor o en contra de su vector de aceleración deseado (depende de qué lado de su nave se calienta más). Es posible que deba construir una gran variedad de radiadores para deshacerse de ese calor residual, por razones de eficiencia, manténgalos en el mismo lado de su nave que el motor láser para que los fotones infrarrojos del calor residual también aceleren su nave. Tenga en cuenta que es posible que necesite una nave de generación para pasar de la órbita terrestre a la órbita lunar utilizando esta configuración. por razones de eficiencia, manténgalos en el mismo lado de su nave que el motor láser para que los fotones infrarrojos del calor residual también aceleren su nave. Tenga en cuenta que es posible que necesite una nave de generación para pasar de la órbita terrestre a la órbita lunar utilizando esta configuración. por razones de eficiencia, manténgalos en el mismo lado de su nave que el motor láser para que los fotones infrarrojos del calor residual también aceleren su nave. Tenga en cuenta que es posible que necesite una nave de generación para pasar de la órbita terrestre a la órbita lunar utilizando esta configuración.

si, podrías

Pero esa no sería la mejor manera, la pregunta es cómo estás calentando tu líquido y qué tan exactamente quieres probar, si usaras paneles solares y luego usaras la electricidad para calentar tu líquido, podrías propulsarse hacia adelante, sin embargo, no funcionará en una "nave de generación" ya que no puede usarla mecánicamente "hélice o algo así" y, por lo tanto, su única forma de usar la energía sería arrojar el líquido en forma de gas, la bruja no duraría tanto.

También sería un paso innecesario entre, ya que podría usar la electricidad directamente en motores de fotones o incluso más simples, motores ligeros, que se impulsan muy lentamente pero en un entorno en el que básicamente tiene una energía infinita y nada que lo frene. estos motores pueden archivar velocidades mucho mayores que los cohetes o similares.

Sí, puede usar el vapor de manera efectiva, cualquier vapor que salga se congelará instantáneamente. Esta agua congelada puede recogerse en un dispositivo como un paracaídas sólido en la parte trasera y luego reciclarse una y otra vez. La fisión nuclear se puede utilizar para calentar el agua y, como el espacio ya está muy frío, se puede regular el efecto de enfriamiento necesario para el dispositivo nuclear. La energía solar se puede almacenar para otras cosas. De esta manera tienes un suministro de combustible barato e inagotable para moverte en cualquier dirección.