¿Puede existir esta nave dentro de nuestras leyes actuales de la física?

Una nave espacial dividida en dos estructuras principales, diseñada para acomodar entre 9,000.00 y 12,000.00 humanos individuales en un estado consciente y activo en un momento dado. La primera estructura alberga elementos esenciales para el sostenimiento de la vida y los proporciona a la estructura secundaria, donde se alojan los humanos. Están unidos entre sí a través de puntos clave de pivote.

Bien hasta ahora.

La estructura secundaria es una esfera similar a un planeta de aproximadamente 900,00 kilómetros de diámetro. Gira a alta velocidad para crear gravedad artificial,

Eso está bastante cerca del borde (y en el lado "demasiado grande") de lo que la tecnología de materiales razonablemente previsible puede manejar si desea 1 g de gravedad aparente.

Sin embargo, no especifica con precisión cuál es la relación entre esta segunda sección y la primera. Si la primera sección no habitada rodeala sección giratoria, y no gira por sí misma, entonces puede proporcionar un soporte estructural adicional (con la fuerza transferida entre las secciones por medio de rodillos o cojinetes magnéticos), lo que podría hacer factible tal estructura. Los cojinetes requerirían mantenimiento para durar miles de años como usted desea... pero ya necesitará cojinetes en las conexiones polares entre las secciones, que de todos modos necesitarán mantenimiento, por lo que no se trata de ninguna restricción nueva que aún no haya existido. allí. Además, si la sección deshabitada rodea la esfera habitada, puede proporcionar un blindaje contra la radiación que entonces no tendría que llevar la propia esfera, lo que reduce la carga.

Finalmente, tenga en cuenta que si la sección habitada es de hecho esférica, solo obtendrá 1 g en una banda estrecha alrededor del ecuador. Esa es también la única área en la que el suelo será casi perpendicular a la gravedad giratoria. Si desea maximizar el espacio habitable real, debe colocar la esfera en terrazas o convertirla en un cilindro, y si desea 1 g en todas partes, debe convertirla en un cilindro.

y contrarrestar la velocidad a la que viaja la nave, que es el 32% de la velocidad de la luz en una sola dirección (95933586,56 m/s), de manera que los ocupantes no sentirán los efectos de esta velocidad.

Esto es irrelevante. Los únicos efectos de la velocidad que podrían importar son la radiación inducida; el giro no hará nada para contrarrestar eso, y de otra manera los habitantes no tendrían forma de saber qué tan rápido se están moviendo con respecto al resto de la galaxia.

El barco está diseñado para viajar durante al menos 21.000,00 años. La nave y las capacidades tecnológicas humanas se basan en un tiempo entre 150 y 250 años a partir del año en curso (2017).

Mientras los habitantes se den cuenta de que necesitarán un mantenimiento regular, eso no debería ser un problema. Las partes móviles, sin embargo, no durarán tanto tiempo, y tampoco lo harán los componentes electrónicos de estado sólido: los materiales dopantes que los hacen funcionar se difundirán lentamente fuera de sus posiciones funcionales.

La nave está equipada con la capacidad de crear y sostener campos magnéticos de 'multiespectro', es decir, capaces de afectar (atraer y rechazar) algunos materiales que no son ferromagnéticos.

Eso suena como magia. De hecho, los campos magnéticos pueden atraer y repeler materiales no ferromagnéticos, a través del diamagnetismo y el paramagnetismo, pero los campos magnéticos no tienen un "espectro", y no es obvio qué propósito tendría "atraer y repeler algunos materiales". Sin embargo, es una buena idea rodear la nave con un gran campo magnético para que actúe como escudo de radiación (contra protones, rayos beta y rayos alfa).

su velocidad máxima en relación con el giro de la estructura secundaria, etc.

No hay uno. La velocidad de la nave y el giro de la sección habitada no tienen relación alguna entre sí.

Si es posible, ¿cómo se debe equilibrar cada aspecto si quiero priorizar la velocidad sobre cualquier otro factor (tamaño de la población, tiempo de viaje más largo posible, etc.)? Si esto no es posible, ¿cuál es la alternativa más cercana que sea similar al concepto sugerido, es decir, una biosfera artificial autosuficiente que pueda viajar a gran velocidad en cualquier dirección durante más de mil años?

Si realmente desea priorizar la velocidad sobre cualquier otro factor, este es claramente un diseño terrible. Para maximizar la velocidad, acepta que su población tendrá que ser cero, reduce la nave a una lámina reflectante delgada con componentes electrónicos integrados y la lanza con un láser alimentado por una esfera Dyson.

Pero es casi seguro que eso no es lo que realmente quisiste decir.

Si desea que dure miles de años, deberá transportar una población para realizar el mantenimiento, y deberá transportar todas las industrias necesarias para crear y reciclar sus propias piezas para llevar a cabo ese mantenimiento. Entonces, ya debe ser bastante grande y tener una gran población, y de todos modos quería una gran población, por lo que funciona bien. En ese momento, debe preguntar: "Está bien, tengo esta enorme nave, ¿qué debo hacer para acelerarla a .32c?"

Hay muchas respuestas posibles a esa pregunta, dependiendo de preguntas de seguimiento importantes como "¿tiene infraestructura en el sitio de lanzamiento para ayudarlo a acelerar", "¿necesita volver a reducir la velocidad al final?" y "si es así, ¿hay infraestructura al final para ayudar a detenerlo?" Se puede lograr cierta desaceleración con una vela magnética, que se puede incluir como parte del escudo de radiación magnética que tal vez desee de todos modos; eso no podrá detener la nave por sí solo, pero puede ayudar a reducir la magnitud de cualquier otro sistema de desaceleración.

Si tiene infraestructura en los sitios de lanzamiento o de destino, el barco podría acelerarse/desacelerarse con una vela láser o una vela magnética. De lo contrario, el buque consistirá principalmente en combustible y masa de reacción. Si solo necesita detenerse (o iniciarse), pero no iniciarse (o detenerse), entonces será principalmente combustible y masa de reacción. Si necesita hacer ambas cosas, incluso con una asistencia de vela magnética pasiva, la nave en el lanzamiento será principalmente el combustible y la masa de reacción necesaria para acelerar, y una vez que alcance la velocidad, lo que quedará será en su mayoría .el combustible y la masa de reacción necesarios para desacelerar, con la esfera habitacional de 900 km de ancho apareciendo como una pequeña mancha en relación con los gigantescos tanques de combustible. Además, será de propulsión nuclear, ya sea fisión o fusión, o alguna tecnología futurista de conversión de energía en masa. Simplemente no hay suficiente combustible químico en la galaxia para acelerar una nave del tamaño de una luna pequeña a un tercio de la velocidad de la luz.

Pondré algunos puntos aquí sobre por qué este tipo de nave espacial (menos algunos de sus requisitos) podrá existir con nuestras leyes actuales de la física, pero no podrá existir con nuestra tecnología actual (o cualquier tecnología próxima). futuro, de todos modos).

1) La energía necesaria para acelerar una masa$m$a$0.32c$. (También como un punto menor, lidiar con una velocidad constante es bastante fácil ya que la nave espacial a velocidad constante es básicamente un marco de referencia inercial. Me ocuparé de la logística de esto más adelante.

$$E=mc^2(γ-1)$$ dónde $$γ=1/\sqrt{1−v^2/c^2}.$$ Suponiendo que cada habitación para un pasajero pesa aproximadamente $400 kg$(también conocido como un automóvil pequeño sin el motor y el bastidor principal) y que hay $9000$pasajeros, el peso total de la estructura uno es un MÍNIMO de $3,600,000$o $3.5 \cdot 10^6kg$.

Y esta es solo la estructura 1.

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Para la estructura 2, dices que quieres un$900 km$cascarón. No tengo ni idea de lo que quieres dentro o cuánto debe pesar, así que supondré que es una carcasa de metal vacía hecha de papel de aluminio :).

te lo hago aproximadamente$1m$de espesor que... si quieres saberlo, explotaría debido a las diferencias de presión del aire en el espacio.

Tenga en cuenta que todo esto es más pequeño que las medidas reales porque estoy demostrando que requerirá MUCHA energía.

Esto sería un total de

$$W = \pi \cdot r^2 \cdot h \cdot \rho \\= 450000m^2\cdot \pi\cdot 4\cdot 1m\cdot 2700kg/m^3 \\= 6870663133400878 kg \approx 10^{15} kg$$ .

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Ahora para la mejor parte.

Reemplazando esto en la ecuación de la energía, obtenemos$\gamma = 1/\sqrt{1-(0.32c)^2/c^2}\approx 1.0555008$. Por lo tanto,

$$E \approx 10^{15}kg*c^2*(1-\gamma)\approx 5\cdot 10^{30} J$$ que es básicamente la cantidad de energía que el sol quema cada segundo (¡muy, muy cerca en realidad)! Pero oye, si puedes construir una nave espacial $900 km$de diámetro, no dudo de ti.

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2) Viajar a una velocidad tan alta hace que encontrar desechos espaciales sea muy doloroso (y probablemente letal). Necesitarías algo que pudiera detectar basura espacial muy lejos, cargar tu cañón láser o lo que tengas y destruir la partícula muy, muy rápido, considerando que te estás moviendo muy rápido.

Konstantin Tsiolkovsky ha propuesto grandes estructuras giratorias como colonias espaciales, y JD Bernel propuso por primera vez acelerarlas para crear "naves mundiales" en 1929. No tengo claro por qué querrías una sección no giratoria separada, ya que todo podría ser contenidos dentro de cilindros giratorios de unos pocos kilómetros de diámetro (como lo propone Gerard K. O'Neill).

Invernadero espacial de Konstantin Tsiolkovsky (1895)

Concepto de colonia espacial Island 3 (1975)

Los dos problemas con los que se enfrentará son obtener la energía para acelerar y desacelerar estructuras tan grandes y protegerlas de la radiación y los impactos mientras navegan.

El problema de calcular la energía requerida ha sido abordado por la respuesta de NL628, y cuando considera que incluso los sistemas mucho más pequeños y livianos (y más lentos), como el sistema lanzado por láser de Robert L Forward, usaban terravatios de energía, los grandes mundos son bastante poco prácticos.

Para la protección a altas velocidades, necesitará sistemas activos para desviar las partículas que se encuentran en su trayectoria de vuelo (uno común es usar un láser ultravioleta intenso para ionizar partículas y un campo magnético para alejar las partículas ionizadas), y probablemente un escudo masivo hecho de hielo para absorber el impacto de cualquier molécula de gas que lograra deslizarse. Sí, has leído bien, moléculas . Considere que el transbordador espacial recibió daños en las ventanas y otras partes al chocar con pedazos de pintura a una velocidad orbital (7 km/seg), la energía cinética de incluso una molécula de gas hidrógeno a una gran fracción de la velocidad de la luz será enorme (Ke = 1/2M*V^2).

Entonces, por razones prácticas, debe considerar una nave mucho más pequeña, que puede moverse a altas velocidades con una cantidad de energía más "razonable", y puede protegerse de manera efectiva con un escudo de hielo de pequeño diámetro y un sistema láser, o una nave de movimiento lento. worldship", que puede tener que lidiar con problemas a largo plazo para mantener la integridad física de los sistemas y los sistemas sociales de los colonos, pero no necesita una cantidad apreciable de la energía de salida del Sol para alcanzar su velocidad de vuelo.