¿Proporciona el sol suficiente energía para acelerar un gran barco a una proporción decente de la velocidad de la luz?

Esto surgió al hacer algunos números sobre las posibilidades de la ciencia dura de la colonización interestelar y principalmente quiero saber si cometí algunos errores importantes y me equivoqué por algunos órdenes de magnitud en alguna parte.

Primero, asumiendo que la velocidad de la luz es un límite absoluto, cualquier posible nave espacial debe ser completamente autárquica, es decir, tener todo lo que ella y sus pasajeros necesitarán a bordo. Así que tiene que ser bastante grande. Simplemente supondré un cubo de 10 km de longitud de borde. Poniendo una densidad de 1 (material de construcción de alta densidad lleno de aire) esto da una masa de 10 12 montones.

En segundo lugar, si desea llegar a otras estrellas dentro de la vida humana, necesita una velocidad que sea una proporción decente de la velocidad de la luz, digamos 0.5 C .

Para calcular las necesidades de combustible para acelerar 10 12 toneladas a 0.5 C (y luego desacelerar a cero nuevamente) usamos la ecuación del cohete, por ejemplo aquí . Una velocidad de escape de 1 C y una velocidad objetivo de 0.5 C nos da que necesitamos aproximadamente tanto combustible como la masa que queremos acelerar (la calculadora da 40 % combustible y 60 % peso del barco).

Para lograr una velocidad de escape de 1 C Usaremos una unidad de antimateria. La antimateria estará hecha de la energía de nuestro sol. La producción total de energía del sol corresponde a convertir 4 ∗ 10 6 toneladas de materia a energía por segundo. Entonces, si uno es capaz de capturar toda la producción de energía del sol, necesitaría alrededor de 10 12 / ( 4 ∗ 10 6 ) = 2.5 ∗ 10 5 segundos o alrededor de 7 horas.

Lo que significa, en resumen, acelerar una sola nave de este tamaño a aproximadamente la mitad de la velocidad de la luz ya requeriría la producción completa de energía de nuestro sol durante varias horas, suponiendo 100 % eficiencia perfecta en cada paso. Así que estamos hablando de una esfera Dyson completa, no solo de algunas velas solares grandes. ¿Tiene eso sentido si me perdí algo importante en alguna parte?

Editar (en respuesta a los comentarios): De hecho, estaba pensando en una nave colonial totalmente autosuficiente y eso requiere millones de personas allí. Todo el cálculo también es lineal en la masa, por lo que si está interesado en los números para un barco más pequeño, simplemente puede dividir la energía necesaria por el mismo factor que reduce la masa. Similarmente 100 % la eficiencia es más fácil de ver porque uno puede dar cuenta de una menor eficiencia simplemente multiplicando la eficiencia que uno quiera usar.

¿Qué contención está demandando para su antimateria y cuánta masa agrega eso a la masa de su nave espacial o resta valor al espacio vital disponible?
Considere un poco de un cambio de marco. la primera ola de pequeños robots rápidos que preconstruyen cosas pesadas, confirman la habitabilidad. Segundo lanzamiento lento más grande de "cosas" (semillas, ADN, etc.) para llegar al mismo tiempo que los colonos. Tercera ola de cruceros más pequeños y rápidos llenos solo de personas para brindarle ese efecto "en mi vida" que todos quieren (suponiendo que la estasis / hibernación no sea una cosa).
@DWKraus mejor aún, segundo lanzamiento programado para llegar décadas o más b4 los colonos con algunos robots para hacer cualquier terraformación ligera necesaria y plantar esas semillas para que cuando lleguen allí ya tenga un bioma en funcionamiento para apoyarlos, enviando un satélite y comunicaciones láser. para obtener informes de progreso para que pueda retrasar el tercer lanzamiento hasta que sepa que estará listo cuando lleguen, también podría ser útil.
un barco de ese tamaño podría soportar una población de 4 mil millones, según worldbuilding.stackexchange.com/a/48261/33515 y asumiendo cubiertas de 5 m de altura. incluso restando áreas no vivas, aún retiene una capacidad descomunal.
@Pelinore por tamaño podemos adivinar que es una colonia autosuficiente, no necesitan nada más que energía y materia en un nuevo sistema de inicio, pero todo eso no tiene relación con el q
@MolbOrg, la configuración los tiene llevando su combustible antimateria, todo el equipo de contención existente para antimateria es muy grande, muy voluminoso y requiere grandes cantidades de energía para funcionar, por lo que también necesita combustible ... no es una consideración trivial del tipo que tan a menudo se traga todo el espacio disponible más parte de este tipo de ideas de viajes espaciales. .. pero si su respuesta es "usando handwavium" es lo suficientemente bueno para mí, solo estoy preguntando. ;o)
Recuerdo el Manual de Starflight que señala que para lograr velocidades relativistas realmente necesitas usar antimateria como combustible, y la fusión es una mala segunda opción. Así que tienes razón, la energía solar no lo hará.
@Pelinore sí, se desconocen las propiedades del contenedor de antimateria y sus especificaciones, pero si es antiuranio (antihierro) como ejemplo, o antiuranio di antioxígeno, la masa será compacta y la presión de vapor de esa composición será casi inexistente y la usará como fuente de energía para las necesidades internas, acelerar la lumbrera de antiuranio por medio de anclas antihierro. Si piensas en anti hidrógeno, no significa que sea la única opción. Claro, todo el problema de almacenamiento es handwavium, por eso no es parte de la q. La densidad del barco es como el agua, por lo que la antimateria en forma de elementos metálicos/densos ocupa una fracción de ese volumen.
Entonces, como esa antimateria no tiene que almacenarse cerca de las personas, puede ser una estructura independiente, múltiples estructuras de motor separadas 50/50 masa normal masa de antimateria, que tiran del casco principal y se consumen con el tiempo, lo que significa principalmente - que a granel es el sistema de mantenimiento del procesamiento de la antimateria al final del día, también es la parte de la materia que usamos para aniquilar. Pero todo eso es offtopic para el q

Respuestas (1)

Tiene algunos errores menores ahí... es fácil de hacer, y una buena razón para hacer todo su trabajo en un programa u hoja de cálculo o una herramienta de modelado matemático o lo que sea. El error obvio es que 250000 segundos son 70 horas, no 7 , y estás aplicando tu tasa de creación de masa a la masa total de la nave.

Aquí están mis trabajos y resultados:

Para un delta-V de 1c y una velocidad de escape de 1c (e ignorando los efectos relativistas, que es un poco travieso pero no demasiado travieso con una velocidad máxima de solo .5c) terminas con una relación de masa de e (~ 2.7), esto es porque la ecuación del cohete nos da R = mi Δ v V mi . Si su masa total de lanzamiento es 10 12 toneladas (aquí usaré las métricas), eso significa que tendrá una masa seca de 10 12 / mi , o ~3,7x10 11 toneladas, NS ~6,32x10 11 toneladas de combustible. Eso es más como 63,2% combustible, 36,8% barco.

(Observo que si tuviera un delta-V de 0.5c, por lo que solo lo suficiente para alcanzar la velocidad de crucero y no volver a reducir la velocidad, terminará con una relación de masa de mi , que se reflejaría como un lanzamiento con un 60 % de barco y un 40 % de combustible, que fueron las cifras que se te ocurrieron originalmente).

Tu combustible será solo un 50% de antimateria. Esto hace que el siguiente paso sea más fácil, porque cuando evocas materia ex nihilo, terminas con cantidades iguales de materia y antimateria debido a la conservación del número bariónico .

Suponiendo una conversión perfecta de energía a masa, e=mc 2 muestra que necesita 6.32x10 11 xc 2 o ~5.68x10 31 J de energía. La luminosidad del sol es 3.828x10 26 W. Si cosechas el 100% de eso, te tomará ~148412 segundos (o un poco más de 41 horas) crear la masa requerida de materia y antimateria.

Si quiso decir tonelada corta en lugar de tonelada métrica , sus requisitos de masa se reducen ligeramente, y llevará más de ~134637 segundos generar la materia y la antimateria requeridas, o alrededor de 37,4 horas.

Hay mejores maneras de hacer lo que quiere hacer (para empezar, usar el frenado magnético en su destino en lugar de un billón de toneladas de antimateria), pero eso está un poco fuera del alcance de esta pregunta. Puede hacer una pregunta diferente sobre cómo reducir la demanda de combustible sin comprometer el tiempo de viaje.

Este es bueno. tiny tiny bit op miss así que no lo señalaste - desaceleración, si se hace de la misma manera que la aceleración
@MolbOrg hay una mención de " y luego desacelerar a cero nuevamente ". Parece que lo tuvieron en cuenta, ya que sus cifras no están tan equivocadas.
aunque la eficiencia del 100% del OP para convertir la energía del sol en antimateria requiere el uso de aproximadamente un 70% más de ondas manuales de las que se sabe que existen en el universo:;o)
@MolbOrg, aunque ahora lo miro, tener el delta-V incorrecto por un factor de 2 explicaría la relación de masa que se les ocurrió, así que tal vez lo detectaron y luego no lo tomaron en cuenta ...
@Pelinore también parece impaciente. ¿Solo está preparado para esperar unos días para cargar combustible para un viaje que le llevará una década o más?
"y luego desacelerar a cero de nuevo" - ah, sí, me perdí eso y sí 1c total deta-v = e, cierto. op intercambió números redondeados o sí error de cálculo. @Pelinore "OP's100% de eficiencia": no hay problema, el tiempo se puede dividir por eficiencias y el trabajo está hecho. esos coeficientes son el único handvawium que depende de soluciones de ingeniería reales y datos experimentales, para estimaciones que una situación típica para centrarse en lo esencial y dejar cosas complejas.
Oye, ¿recuerdas esa vez que dije que este no era el lugar para hablar de ramscoops? Buenos tiempos, buenos tiempos.
¿Proporciona el sol suficiente energía para acelerar un gran barco a una proporción decente de la velocidad de la luz?
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