¿Hay algún material hoy que pueda actuar como el revestimiento delantero de mi barco que pueda resistir tal impacto?

El problema es el mismo con la roca golpeando el barco mientras el primero viaja a 0.05c y el segundo permanece inmóvil. Podemos usar la ecuación de profundidad de impacto de Newton que da la profundidad de penetración de un proyectil P en un escudo S,$depth = length_P \frac{density_P}{density_S}$: a esa velocidad, la barrera actuará como un líquido y la roca, con una longitud de 5 cm y una densidad típica de 3,5 g/cm^3 , penetrará hasta una profundidad de unos 17,5 cm en el agua (esto excluye la penetración- formas optimizadas). En ese momento, habrá cedido todo su impulso considerable al material circundante, convirtiendo una fracción significativa de este en calor de compresión y fricción, y explotará.

En el volumen de impacto se formará un chorro de plasma , todavía con un impulso considerable, y comenzará a penetrar hacia adentro; como el momento elemental viene dado por el producto de la densidad por la velocidad, y es una cantidad finita, a mayor densidad menor velocidad.

Entonces, desea tener el material más denso posible (que sería osmio, densidad de alrededor de 22) durante los primeros 20-25 cm, luego necesita sobrevivir a la explosión de ~ 240 toneladas de TNT y temperaturas brevemente superiores a varios cientos de miles. K, más el chorro de plasma de osmio que ha absorbido el impulso del impactador. Esto requiere algún metamaterial de cambio de fase súper refrigerado (principalmente hielo-XI ) y alguna forma de distribuir el impacto lateralmente lo más rápido posible, lo que requiere un módulo de Young enorme, básicamente una capa de carbino .

Finalmente, debe considerar la espalación . La onda de choque viajará a través de la armadura y explotará en el lado opuesto incluso si el proyectil no atraviesa completamente. Necesita una capa adicional de material de alta densidad y alta resistencia para bloquear eso .

No estoy muy seguro de que todo eso vaya a caber en un grosor de 100 cm...

¡Pasamos algo por alto!

El grosor de 100 cm se refiere a un impactador que golpea de frente . Pero si construimos el escudo como un glacis cónico inclinado, una forma vacuodinámica , obtenemos algunos beneficios muy importantes:

• la colisión será en ángulo , por lo que desperdiciará una gran parte de su energía en una lluvia de fragmentos que le quitarán la mayor parte del impulso sin causar daño.
• la trayectoria de penetración se incrementará por el seno inverso del ángulo de la pendiente; un ángulo de 30° duplicará inmediatamente el grosor del material visto por el impactador.

¡Creo que podemos hacer esto! :-)

Escudo Whipple cargado

Un escudo Whipple estándar probablemente no funcionará bien contra objetos sólidos en el rango de cien gramos.

Pero podemos imaginar una red cúbica de gránulos de osmio conectados por hilos aislantes muy fuertes (por ejemplo, Kevlar) de no más de tres o cuatro centímetros de largo horizontalmente, y una docena de metros verticalmente; la celosía en sí es tan ancha como el frente del barco.

En el despegue, la celosía se pliega y tiene solo unos centímetros de espesor. Entonces comenzamos a bombear carga eléctrica en él (de alguna manera). La repulsión de Coulomb comienza a alejar los gránulos uno del otro, hasta que forman varias capas de malla de cuatro centímetros cuadrados, separadas por una docena de metros de espacio vacío. Cuando la carga es lo suficientemente alta, la red se vuelve cada vez más rígida.

Ahora, una piedra de 5 cm entra con una velocidad relativa de 0,05c. Impacta en uno, posiblemente dos gránulos de la primera capa, y explota, formando un cono de escombros que todavía viaja a 0,05c. También ha absorbido una gran cantidad de carga eléctrica y, por lo tanto, cada partícula de escombros es fuertemente repelida por todas las demás, lo que contribuye a la expansión del cono, y por las capas posteriores entrantes, que expanden el cono y lo ralentizan. No podemos empaquetar 16 TJ de potencial coulombiano en una red de ciento veinte metros ( ¿o podemos ?), ya que la red comenzaría a descargarse emitiendo cargas al espacio más rápido de lo que podríamos reemplazarlas, pero seguro que podemos lograrlo. comportarse como una especie de armadura reactiva eléctrica .

Al final, la capa final del escudo solo necesita poder lidiar con perdigones de tamaño pequeño; un sándwich en capas de material de alta densidad para absorber el impulso, material de alta tensión para difundir el impacto y vacío para detener las ondas P será suficiente.

Al reducir la velocidad al llegar, la celosía se apaga y se pliega.

Es cierto que el grosor total instalado es dos órdenes de magnitud mayor que su requisito de 100 cm, pero su grosor equivalente bien podría caer por debajo de eso.

Protección contra impactos

La protección contra impactos se parecerá a ese juego llamado Defensa contra misiles , con los impactadores llegando a un relativo .05c.

Pero no puedes usar misiles . Lo que haces es saturar el espacio frente a la nave con un radar milimétrico , que te dará una estimación de bajo ruido de los impactadores entrantes y algo sobre su naturaleza. Es razonable esperar una detección a unos 500-600 kilómetros, tal vez más (alto vacío, pocas perturbaciones). Utilizará varios radares para medir inmediatamente la posición y la velocidad de los proyectiles entrantes a través del paralaje y el desplazamiento Doppler (y también para la redundancia). A una distancia de 500 km viajando a .05c, tiene un tiempo de advertencia de aproximadamente 30 milisegundos .

No puedes balancear con seguridad una montura de arma en ese momento. Entonces, en su lugar, usa una matriz de láser en fase masiva para dirigir el equivalente a un megavatio de energía enfocado desde un banco de supercondensadores hacia la roca, que se puede esperar que se rompa.

Esto le roba al proyectil entrante quizás el uno por ciento de su energía, pero lo más importante es que reduce su tamaño y la penetración es proporcional a eso. También debilita su estructura, lo que aumenta las posibilidades de que un impacto de mirada se quede solo en eso: un impacto de mirada.

Al mismo tiempo, la velocidad relativa impartida al impactador se dirigirá a hacer que el ángulo de impacto sea menos profundo , reduciendo aún más el daño.

Si hay suficiente tiempo, los ataques adicionales podrían reducir aún más el daño al pulverizar los fragmentos más amenazantes.

Lo estás haciendo mal. Su material de defensa es papel de aluminio o algo por el estilo.

Una vez que su nave esté en su .05c, extienda una hoja de papel de aluminio y empújela hacia adelante. Lanzar periódicamente otro.

Sin duda está diciendo que la pelota de béisbol pasará y casi la ignorará. Aquí en la Tierra eso sería cierto, pero miren hacia atrás a la energía de su impacto. No es 16TJ porque a efectos prácticos es el papel de aluminio golpeando la pelota de béisbol. Sin embargo, todavía es mucha energía. Sí, el béisbol apenas se ralentiza por esto, pero se vaporiza. Ahora tiene una bola de plasma que se expande muy rápidamente. Eso es mucho más fácil de detener y muy bien podría ser tratado por hojas posteriores y ciertamente puede ser detenido por su casco; es solo una bolsa densa de radiación de energía bastante baja en ese punto.

También he visto polvo sugerido para un uso similar, pero es mucho más difícil para el departamento de ingeniería verificar la protección que ofrece su escudo de esa manera.

Es poco probable, pero no necesariamente tiene que ser así.

Las naves espaciales existentes no necesitan lidiar con velocidades relativistas, pero aun así se mueven increíblemente rápido. Y mientras que los meteoros que destruyen satélites son raros, los micrometeoros son bastante comunes. Un metro de blindaje está mucho más allá de los presupuestos de cualquier nave espacial que construyamos actualmente.

En lugar de tratar de usar escudos gruesos y sólidos, las naves espaciales modernas confían en Whipple Shielding . Un escudo de Whipple es un escudo espaciado: tiene dos capas con un espacio entre ellas. La primera capa intercepta los obstáculos, pero no pretende detenerlos; su propósito es dispersar la energía en un área más grande.

Incluso cuando se perfora la primera capa, los orificios son pequeños y no comprometen significativamente la integridad estructural de la capa. La segunda capa no es penetrada por el impacto más difuso y mantiene un sello hermético.

Hay, por supuesto, muchas variaciones en el diseño que propuso Fred Whipple en 1946. Puede usar más de dos capas; de esa manera, si la energía no se dispersa lo suficiente en el primer impacto, se puede dispersar varias veces más antes de arriesgarse. tu última capa. Puede utilizar materiales flexibles como Kevlar en lugar de aluminio rígido. Pero los principios básicos siguen siendo los mismos. Al usar varias capas separadas por huecos, dispersas la energía del impacto y haces posible proteger tu nave con mucho menos escudo del que necesitarías con un escudo sólido.

Su objetivo es permitir que este material hipotético disipe 16 TJ con solo 1 metro cúbico de material por metro cuadrado de superficie impactada.

Esa cantidad de energía es comparable a 1 kilotón de TNT: más pequeña que Little Boy, pero todavía bastante.

Si desea mantenerse compacto (es decir, unos pocos metros cuadrados de superficie de escudo), creo que no hay material que pueda adaptarse a su propósito.

Ps la fórmula para la energía cinética relativista es

no hay La energía hará que cualquier sólido actúe como un líquido viscoso, sin importar el material.

La forma práctica de defensa pasiva son los escudos Whipple : múltiples capas de material con mucho espacio.

Las capas explotan el impactador más el escudo en gránulos, el espacio permite que los gránulos se extiendan, cada capa sucesiva de material los esparce en gránulos más pequeños. Por lo tanto, hay espesores de capa y espaciado óptimos.

Cualquier escudo Whipple es inferior a un bloque sólido por unidad de profundidad, pero superior por unidad de peso. Muy aproximadamente, una sola capa de escudo con pérdida de masa que coincida con la masa del penetrador debería reducir a la mitad su energía efectiva. Entonces, a 0.15c, y a 1 km/s como impacto tolerable para la armadura final, deberías estar mirando 31 capas.

Dados sus parámetros geométricos, se puede contar con un área de impacto inicial de ~0,02 m^2, por lo que necesita una densidad de 7,2 kg/m^2 por capa. En otras palabras, aluminio de 3 mm. Agregue más de 200 mm detrás de cada capa y apile más de 31 de esas capas antes de su armadura principal, y debería estar cubierto.

Tengo más de 1 m de grosor geométrico, pero son solo 100 mm de grosor total del material, más lo que sea necesario para que la armadura final detenga el impacto de 1 km/s. La armadura principal está sujeta a la mecánica convencional y bastaría con otros 100 mm. Pero 1 m de cerámica y metal no sería descabellado para el frente de una gran nave colonial.

Lo más fácil parece ser destruir la roca antes de que golpee el barco.

Una vez que el barco ha alcanzado la velocidad de crucero, los motores se detienen y ahora viaja a velocidad constante. En este punto, debe rociar una fina neblina de agua, o tal vez polvo, frente al barco y dejar que se expanda hasta que llene un volumen suficiente.

No puede ser un gas, ya que se expandiría muy rápidamente (a menos que la nave sea lo suficientemente pesada como para tener su propia atmósfera). No estoy seguro de que las gotas de agua permanezcan sólidas y no se sublimen, prefiero usar polvo, es decir, pequeñas partículas sólidas. Siéntete libre de elegir el material que quieras. Tal vez la nube de polvo pueda mantenerse en una forma útil mediante el uso de campos magnéticos y electrostáticos, si la nave tiene su propio campo magnético, un poco como el cinturón de Van Allen...

Ahora, si su roca del tamaño de una pelota de béisbol entra en una nube de polvo (o gas) a una velocidad relativista, se vaporizará casi instantáneamente y se convertirá en plasma en expansión. La ventaja que tiene una nube sobre una lámina de aluminio, como se sugirió anteriormente, es que cuanto más se expande el plasma, más material encontrará, lo que lo esparcirá aún más. Con suerte, se extiende sobre un área lo suficientemente amplia como para reducir la densidad de energía por metro cuadrado a un valor manejable para el casco de su nave. Además, una proporción significativa de la energía cinética se convertiría en radiación (es decir, luz) y se irradiaría en todas las direcciones (por lo tanto, solo una proporción muy pequeña golpearía la nave).

Otra ventaja en relación con el papel de aluminio es que el papel no es transparente.

Materia oscura.

La materia oscura podría no ser interactiva después de todo

La materia oscura interactúa con otra materia solo a través de la gravedad y no con la radiación electromagnética. Hasta ahora nadie ha sido capaz de detectar el impacto de una partícula de materia oscura sobre una partícula de materia normal. Puede ser como un fantasma, pasando a través de la materia normal sin tocarlo.

Pero para reducir la velocidad de un objeto que se mueve rápidamente, la gravedad funciona muy bien. Su pelota de béisbol pasará a través de su escudo frontal de materia oscura y se ralentizará gravitacionalmente después de pasar el punto medio, donde la atracción gravitatoria neta es opuesta al impulso de la pelota en movimiento. Eventualmente, se reducirá la velocidad hasta detenerse. Esto requerirá una gran cantidad de materia oscura y será difícil contener cualquier cantidad de una sustancia interesada solo en la gravedad; con suerte, su tecnología futura incluirá gravedad artificial. Afortunadamente, aparentemente hay una gran cantidad de materia oscura para tomar, y el OP solo requiere "resistir"; una vez en su lugar, su trozo de materia oscura del tamaño de un planeta será impermeable a los impactos de cualquier tipo y será bueno mientras dure.

Una gran pregunta para la que no puedo encontrar una respuesta: ¿qué sucede con la energía de la pelota de béisbol que se desacelera hacia la materia oscura? Si la materia normal cae hacia un agujero negro, la energía potencial gravitacional se convierte en calor y se emite como radiación. Si la materia oscura puede caer bajo la gravedad pero no puede arrojar energía como radiación, ¿qué sucede con esa energía potencial? ¿La materia oscura se vuelve irreversiblemente más caliente?

Para su pregunta, es un poco más fácil porque la pelota de béisbol puede calentarse más y ciertamente lo hará, disolviéndose en plasma mucho antes de que cese su impulso.

En uno de los libros de Star Trek, el autor describe a la tripulación tratando de descubrir cómo destruir una máquina del tamaño de un planeta, a toda costa. Una idea es acelerar la nave para acercarse a la velocidad de la luz y embestir. El análisis por computadora determina (según el autor) que el resultado sería un agujero del tamaño de Startrek que atravesaría el planeta, sin mucho impacto real.

Tal vez pase lo mismo con una pelota de béisbol o una roca a 0.05c: si no intentas protegerte, podría atravesar la nave y dejar un agujero del tamaño de una pelota de béisbol. Puede aceptar la posibilidad, asegurarse de que puede reparar cualquier fuga de aire muy, muy rápido y esperar que pueda reparar el daño.

¿Quizás Neutronio? Es 4 * 10^17 kg/m^3... 13 magnitudes más denso que cualquier otra cosa.

El único problema es mantenerlo así de denso.

O tal vez usar agujeros negros como escudos, para simplemente absorber el impactador, pero un agujero negro del tamaño de una pelota de béisbol ya es demasiado grande para ser útil, ya que su efecto gravitacional afecta demasiado el movimiento de la nave para compensarlo.

Y ambos métodos están fuera del alcance de la ciencia actual, aunque posiblemente sean las únicas cosas que podrían resistir el impacto al que está sometiendo a la nave espacial.

En casos de energía extremadamente alta como este, se aplica la ecuación de penetración de Newton. La cantidad de energía gastada acelerando el material objetivo eclipsará en gran medida cualquier contribución de la fuerza.

La ecuación de penetración de Newton es - profundidad de penetración (s) = (densidad del proyectil / densidad del material objetivo) * longitud del proyectil.

Para una pelota de béisbol de cuero de 400 kg/m^3 de unos 0,15 m de diámetro que impacta con unos 8000 kg/m^3 de acero, la profundidad del cráter de impacto en el material objetivo sería de 0,008 metros. Para un cubo de hielo de 1000 kg/m^3 y de 0,15 m de largo, el cráter de impacto tendría unos 0,02 m de profundidad.

Creo que la conclusión es que cualquier cosa que no se acerque en tamaño y masa a su nave será aniquilada. Sin embargo, su casco será devorado con el tiempo por estas colisiones.

Aunque es un dispositivo popular, los campos de fuerza tendrían que ser terriblemente poderosos, como ya ha calculado, para producir el mismo beneficio que una lámina de plomo o acero.