¿Qué tan grande debe ser un reactor de fusión y un banco de capacitores que lo sigan para impulsar un controlador de masa en el espacio?

Hay varios problemas:

1. El controlador de masa: los controladores de masa son un concepto genial, pero, como todas las cosas, deben tener en cuenta la fricción. La definición de la FAA para el espacio a poco más de 80 kilómetros se basa en el hecho de que los objetos pueden pasar por encima de ese límite y permanecer en órbita. Cualquier cosa debajo de eso está produciendo suficiente resistencia para desorbitarse. A saber : 2667 metros sobre el nivel del mar no es lo suficientemente alto como para disparar directamente algo en órbita.
2. La NASA generalmente recomienda no pasar los 3 g de aceleración, aunque una persona bien entrenada puede sostener hasta 10 y sobrevivir a más de 40. Teniendo en cuenta esto y un buen cálculo antiguo, podemos calcular una estimación aproximada de la longitud necesaria del conductor (x = (v^2)/2a): a 3g necesitarías 1380 km, a 5g necesitarías 828 km y a 10g solo necesitarías 414 km. Para hacer esta aceleración en 140 km, necesitarías acelerar a 30 g. Es probable que la mayoría de los humanos no puedan soportar eso durante cinco minutos completos.
3. Usar el gasto de energía para explicar cómo llegas a la órbita es engañoso. Para estar en órbita terrestre debes estar a una velocidad de unos 7,8 km por segundo y fuera de la mayor parte de la atmósfera. En trayectorias ideales, esto se traduce en un delta-v de unos 9,1 km por segundo. La realidad, por desgracia, no es ideal. Si la maniobra para llegar a la órbita incluye un elemento horizontal más grande, hay una mayor pérdida de empuje, por lo tanto de energía, a la gravedad. Además, la resistencia atmosférica también reduce la energía, aumentando exponencialmente a medida que avanzas por la atmósfera a velocidades cada vez más altas.
4. En lo que respecta al poder, en general, donde hay voluntad, hay un camino. Actualmente tenemos la capacidad de cargar imanes en el LHC a 10 GJ, por lo que debería poder hacerlo con la tecnología actual. El tamaño de la planta de energía solo depende de la frecuencia con la que desee encender la cosa (1 vatio = 1 julio por segundo. Haga los cálculos).

Si bien este concepto es algo defectuoso, no lo es fatalmente. El controlador de masa se puede usar para la aceleración inicial, etc. Así que no renuncies a la pequeña X, hereda las estrellas.

El controlador de masas, en tierra, no es necesariamente una gran idea, pero todavía hay algunos proyectos en curso desde el arma hasta el espacio y pueden tener sentido, así que analicemos algunos números.

Lanzar energía para gastar es

40MJ/kg es un número razonable, este número representa la energía cinética a 8944 m/s. Pasar por el aire en busca de proyectiles pequeños de menos de una tonelada, si no recuerdo mal de ese proyecto de estatorreactor: las pérdidas pueden ser de hasta el 50%. Para proyectiles más grandes, las situaciones tienden a mejorar, cuanto más grande (proporción decreciente de área de superficie/masa) es el proyectil, menores son las pérdidas, más tiempo en el aire, menos ángulo, más pérdidas. Pero, vamos con pérdidas del 50% con ese aspecto, quizás demasiado pero depende de la trayectoria concreta, ángulo de subida.

Las pérdidas de almacenamiento obtienen una eficiencia del 70-80 por ciento: baterías, condensadores, almacenamientos mecánicos + más algunas pérdidas de transmisión: 70 por ciento de eficiencia de almacenamiento.

La pista en sí no es una máquina ideal, pase lo que pase allí: procedimientos de autolimpieza, dispositivos de enderezamiento, bobinas de enfriamiento o acondicionamiento de la pista o lo que sea, vamos al 50%.

Por lo tanto, podemos terminar con una eficiencia del 17,5 por ciento y que 40 MJ/kg aumentan a aproximadamente 230 MJ/kg y un total de 4600 GJ o 1,26 GWh. Vamos a redondearlo un poco, ya que es posible que necesite un trineo adicional (como un trineo de cohetes) que no vaya al espacio pero mantenga el rumbo y diga 1.5 GWh (5.4 TJ).

Entonces, los parámetros de lanzamiento terminan siendo:

• Velocidad de 12,6 km/s (una locura), 57 g (mucho), pista de aceleración de 140 km (corta, no clasificada por humanos, un poco)

Energía total para producir y cargar para el lanzamiento: precio de 1,5 GWh con 0,1 dólares por kWh: 150 mil dólares.

• 30% de pérdida en carga-descarga, 50% de pérdida en la pista de esta manera en los bancos de condensadores necesita almacenar aproximadamente 2 veces más de lo que necesita en un caso ideal y nuevamente 2x debido a que necesitamos disparar más rápido que si no hubiera aire - total 4x el de un caso ideal
• y en general necesitamos suministrar desde la planta de energía al sistema 5.7 veces más que en un caso ideal, un total de 1.26 (1.5) GWh
• Inyección translunar (TLI) de órbita terrestre baja (LEO) 3,20 km/s delta-v, de esta manera necesita unos 3 km/s adicionales, y es alrededor de +57% en términos de energía.

requisitos del reactor

150MW, ITER-III - sí, bastante ITER típico - volumen de plasma de 840m3, calor de 500 MW con un gran edificio y todo eso alrededor.

Y del total, vemos que puede ser suficiente para hacer 1 o 2 lanzamientos al día, por lo que como fuente de energía, está bien.

lanzamientos más frecuentes y es posible que necesite proporcionalmente más de esos o que desmantele una planta nuclear: solo un bloque le da unas 10 veces más, y hay pocos de esos en una planta. (o simplemente pagar las facturas de la luz, que no son tan caras)

• incluso un generador alimentado por diesel (metano) funcionará, definitivamente es una solución más eficiente que usar ese combustible en un cohete químico.

En los últimos kilómetros, el consumo máximo de energía es de alrededor de 2800 GW (57 g, velocidad máxima de 12,6 km/s, x2 (por pérdida del 50 % en la pista), carga útil de 20 000 kg).

Esto es x40 de la potencia máxima de producción de electricidad de Alemania (?) o aproximadamente 242 GW (promedio), durante aproximadamente 22,1 segundos, sí, un poco demasiado, para la mayoría de las formas de generar energía, pero, para un reactor de fusión, puede ser en realidad No tan mal.

No necesariamente para Tokamak ITER, pero en general, para la fusión tal como es ahora, funcionan por un corto tiempo, ya que por ahora y el lanzamiento necesita solo 22 segundos, por lo que tal vez exactamente la necesidad de tal poder de ráfaga es lo que lo hace una buena combinación con las tecnologías de fusión de tiempo: no necesitan funcionar demasiado tiempo, pueden funcionar en modo de pulso, ya que es exactamente lo que la pista puede necesitar. en algunas circunstancias puede ser una combinación hecha en el cielo, con algún generador MHD , que en la etapa madura puede permitir lanzar cargas útiles con intervalos de segundos: lanzamientos de cohetes alimentados por fusión, qué genial es definitivamente algo que esperar.

• esta dirección de fusión requiere más investigación. no tiene que sostener el plasma, pero funciona más como un prototipo de un motor de cohete de fusión, ser una arquitectura más abierta, no tokamak, menos problemas de estabilidad (tal vez) ya que se apagan como escape.

• requiere alrededor de 18'000 ITER como en q para alimentar la cosa directamente si no pueden dar la potencia máxima adecuada, y si pueden seguir el perfil de potencia en esos 22 segundos, entonces pueden ser 1600 de esos bloques

• con la carga, una vez por hora, el lanzamiento requiere aproximadamente una línea de alimentación de 1,5 GW, que no es mucho. No lo malinterpreten, es una buena línea sustanciosa, pero las centrales eléctricas pueden estar a 1000 km de distancia.

almacen de energia

Dato curioso primero: por cada metro de la pista se necesita la misma cantidad de energía. Entonces, el almacenamiento de energía puede ser una línea de las mismas cajas a lo largo de la pista y, en ese sentido, su volumen no importa tanto, la masa sí, ya que se correlaciona más directamente con el precio de una solución.

Por lo tanto, obtenemos nuestros 1,5 GWh (5,4 TJ) y, teniendo en cuenta nuestras supuestas pérdidas del 70 % en la carga (un poco mal, pero...), la capacidad especificada por cada metro de la vía debe ser de 27 MJ (por cierto, unos pocos kg de propano, 49,6 MJ/kg - puede ser una opción, similar a la carga EMP).

De wiki, la situación parece similar para las baterías de litio y los volantes (buen material por cierto): alrededor de 57 kg de material por metro de pista. (Sin embargo, la descarga de salida es demasiado baja, por lo que es solo un número para el almacenamiento de energía)

Supercondensadores

la energía específica es la cantidad de energía que pueden almacenar, en términos de masa. Potencia específica: qué tan rápida o qué tan poderosa es la descarga.

Por lo tanto, en términos de energía, necesita alrededor de 1500 kg de supercaps (18000J/kg, 5Wh/kg), pero en cuanto a la descarga, es un poco complicado.

con una potencia específica de 10kW/kg y una masa total de 210 000 toneladas de esos súper condensadores, la potencia de descarga total es de 2100 GW, que es inferior a la potencia máxima de 2800 GW, necesita más de esos condensadores de 280 000 toneladas o 2000 kg/m, De manera realista, probablemente incluso más, pero obtuvimos un margen de seguridad bastante bueno anteriormente con todas las eficiencias y pérdidas, es hora de usarlo aquí.

• convenientemente, la tabla contiene números para capacitores más regulares, casi lo mismo para ellos, 10 veces mejor potencia de descarga y 10 veces peor en términos de almacenamiento de energía, pero si son 10 veces más baratos, puede ser una alternativa.

Como volumen, tomemos LSG/dióxido de manganeso con 42 Wh/L (150 kJ/L) con una descarga de 10 kW/L (que se usó) y 10 000 ciclos (perro sospechoso.jpg, no en esta configuración, lol)

Y obtenemos 240L por metro de vía o 12 baldes de 5 galones (supongo).

En total sacamos 33600 metros cúbicos, mucho, pero una estación cada km serán 240 metros cúbicos por estación, con espaciamientos como un rectángulo de 10x20m de pocos metros de altura.

problemas y no problemas

@thewildnobody en su respuesta los abordó lo suficientemente bien.

Sin embargo, todavía hay cosas que mencionar, tal vez incluso positivas.

NACA, una agencia anterior a la NASA, realizó algunas pruebas en el pasado y se utilizó una configuración sumergible de medio respaldo para las pruebas y permitió que algunos probadores soportaran 30 g (o algo así) durante aproximadamente 30 segundos; los límites se debieron a las especificaciones de la centrífuga. y contener los límites de la respiración de un probador. Y el máximo por poco tiempo fue como 83 g (no con la configuración), por lo que, en ese sentido, 57 g no son imposibles, incluso si son problemáticos.

Y debido a la atmósfera, debe estar preparado para g altas, incluso si tiene una pista más larga con 5 g moderados como lo desea, aún habrá unos segundos de declaración después de la salida de massdriver, y no lo hace más fácil de lo que será una fuerza opuesta, y esta aceleración puede ser muy alta, en unos segundos, puede bajar unos pocos km/s, las pérdidas por interacción con el aire pueden ser bastante altas, por lo que la desaceleración. Para algunos tipos de vehículos no tripulados, todavía está bien, pero para los humanos, de todos modos, es posible que necesite una buena caja de gelatina. Toda la viabilidad depende de lo buena que sea esa caja de gelatina.

el exceso de gelatina o agua probablemente se pueda usar para alguna solución ablativa durante esos pocos segundos críticos antes de que la nave abandone la densa atmósfera, pero no es seguro.

p.d. por alguna razón me quedé con los números y cometí muchos errores, ahora creo que está más o menos bien, pero aún así, es más o menos un ejemplo de cálculos.