КВС в космосе

[Андрей Курилов]

Александр Семёнов, потрудитесь всё-таки объяснить, зачем городить КВС внутри СС, где есть солнечная энергия, которая передаётся легко в любой её угол лазерным лучом?

Поясню. Бочку с активной средой и системой ориентации не так сложно повесить на околосолнечной орбите, чтобы она отсель снабжала нужную точку гигаваттом передаваемой мощности. Думаю даже тераваттная бочка проблемой не будет (по сравнению с вашими любимыми "астросооружениями"). Далее - огромный потенциал масштабирования. Делаем ещё бочку, потом ещё и ещё. У бочки нет ни радиаторов, ни топлива, ни турбин толком. Это просто бочка, которую повесил на околосолнечную орбиту - и всё. Огромный автоматический зонд, по сути, в некотором роде похож на банальный спутник ретрансляции даже.

[alex_semenov]

Вы действительно верите что все будет так просто в вашем случае?

По поводу зачем нужен КВС если есть солнце. А зачем нужно строить на Земле, да еще и в южных широтах  ядерный реактор, когда там и так столько много солнечной энергии?!

[Инопланетянин]

Я правильно понимаю, что "гравицапа" - это тяжелый космический корабль размером с Луну (плюс/минус лапоть), разгоняющийся за счет термоядерного сжигания дейтерия супер-пупер-ионным двигателем?

Мне кажется, не совсем. По замыслу Семёнова, эта «гравицапа» должна оставаться на месте и разгонять 100 000 тонный линкор до 0,1 или 0.5 св. Конкурент Рою Светлячков. Обитает в Поясе Койпера, работает на термояде, охлаждается радиатором лунных размеров.

[Андрей Курилов]

Даже если он не требует электричества, все равно всю энергию солнца в лазерную он не превратит. Просто по законам термодинамики.
Он вырежет из спектра полосы...

http://www.laserfocusworld.com/articles/print/volume-37/issue-9/features/high-energy-optics/high-energy-lasers-may-put-power-in-space.html

Остальное тепло пойдет на разрушение установки. И его надо отводить, отводить, отводить.
Форвард, хитрец, потому и вырезал полосы сразу на коллекторе. Но это  - фантастика. Если так действительно можно делать, тогда да, очень классная идея. А если нет - то солнечный лазер с прямой накачкой ничем не лучше многостадийного цикла тепло->электричество->когерентное излучение.  Тот же паравоз со своим достаточно низким КПД.
Потому что законы термодинамики не обойдешь.

Это всё лирика. Но есть экспериментальные данные, которые говорят о КПД солнечного лазера в 11-14 %. Т.е. если на квадратный метр активной среды падает 100 кВт солнечного света, ~90 кВт пойдут в тепло. Представим что активная среда такого лазера имеет форму кубика со стороной 10 м. Одна из граней повёрнута к Солнцу - она получает 10 МВт солнечного света, из которых в тепло кубика переходит ~9 МВт. Этот кубик уже даёт мощность лазерного луча 11-14 МВт. 5 граней этого кубика смотрят в черноту космоса с общей площадью ~500 кв. м, рассеивая эти ~9 МВт паразитного тепла, т.е. 18 кВт на кв. м. При черноте граней, равной 0,9 установится равновесная температура кубика примерно 770К или 500Ц.

[Андрей Курилов]

По поводу зачем нужен КВС если есть солнце. А зачем нужно строить на Земле, да еще и в южных широтах  ядерный реактор, когда там и так столько много солнечной энергии?!

На Земле нет "много солнечной энергии", ибо есть атмосфера с её капризами и суточное вращение, заслоняющее Солнце и постоянно уводящее его от перпендикулярного падения лучей на приёмник.

Максимальная средняя инсоляция на Земле не достигает даже 300 Вт/м². Это эквивалентно инсоляции на расстоянии более 2 АЕ от Солнца в космосе, т.е. практически уже в поясе астероидов.

[alex_semenov]

Мне кажется, не совсем. По замыслу Семёнова, эта «гравицапа» должна оставаться на месте и разгонять 100 000 тонный линкор до 0,1 или 0.5 св. Конкурент Рою Светлячков. Обитает в Поясе Койпера, работает на термояде, охлаждается радиатором лунных размеров.

Да, это "пушка", которая выстреливает "снаряд" - световой парусник. При этом для скорости 0.5с такой приовд использовать лучше (экономичней) чем для 0.1с.
О рое светлячков у Роберта. Когда читал - плакаль... крокодильими слезами... Ужасная идея. Невероятно ужастная. Особенно пневмологика... это красиво в контексте вроде, но не жизненно. Да и вообще идея иметь много отдельных излучателей - идея которая приходит всякому дураку (например мне) и я ее в итоге похоронил ... прочитав статю Форварда о суперпаруснике. Проблема даже не в том что их надо как-то синхронизировать по фазе. Допустим смогли. Для роя возникнет проклятье разряженной антенной решетки.  Не будет рой НИКОГДА собирать луч на большие расстояния. Эт просто запрещено законами физики. Способность фокусировать свет определяется ТОЛЬКО диаметрами апертур отдельных светлячков. А это - слезы.
Хотя я не помню уже... у него там вроде рентген? А он хорошо фокусируется (если есть чем )
Я очень уважаю Роберта, вещь у него получилась классная, поэтому я и не стал уже придираться. Но придираться там у него можно много. Слава богу не везде. В отдельных местах он (и Некрасов, я видел как они спорили) достаточно хорошо все продумали.

А вообще идея дробить мощную энергоустановку на маленькие... совершенно левая. Вот кто-нибудь задумывался почему люди до сих пор пользуются огромными централизованными электростанциями, а не построили каждому по дизель-генератору в подвале?

[Андрей Курилов]

Тот же паравоз со своим достаточно низким КПД.

Не, разница принципиальна - в случае солнечной энергии вообще жечь ничего не надо, Солнце само жжёт и само себе реактор. Ваш же паровоз имеет не шибко больше КПД но при этом ещё просит подвозить тория/урана и строительства "астросооружений".

[alex_semenov]

На Земле нет "много солнечной энергии", ибо есть атмосфера с её капризами и суточное вращение, заслоняющее Солнце и постоянно уводящее его от перпендикулярного падения лучей на приёмник.

Это все - отмазки. Главная причина - качество энергии. Ее рассеянность. Ее высокая энтропия и неудобство (сложность) концентрации в ток. И поэтому как не версти высокая СЕБЕстоимость киловатт-часа.
Наиболее яркое (но не исчерпываюшее) проявление этого низкий EROI

http://ru.wikipedia.org/wiki/EROEI

[alex_semenov]

Не, разница принципиальна - в случае солнечной энергии вообще жечь ничего не надо, Солнце само жжёт и само себе реактор. Ваш же паровоз имеет не шибко больше КПД но при этом ещё просит подвозить тория/урана и строительства "астросооружений".

Тепловому КПД моего паравоза позавидует иной трансформатор!
85%!!!
(кстати надо бы его понизить, нет смысла в таком высоком, лучше уменьшить диаметр гравицапы. Все дешевле будет)

О том что ничего жечь не надо. Это - наивный ход рассуждений. Да, не надо. Но как говорится, бойся данайцев, дары приносящих...
Проще не значит эффективней. И, кстати, дешевле тоже не значит.
Хотя, конечно раз на раз не приходится....

[Инопланетянин]

у него там вроде рентген?

Всего лишь жёсткий ультрафиолет. Так сказать, компромисс. И фокусируется пристойно и есть чем.
А разгоняться придётся, конечно, быстренько. Но это Вам даже лучше. Нечего всяких обезьян возить, пусть ИИ на 400g быстренько разгонится, чем 100000-тонный обезьянник цельный год выползать будет

Особенно пневмологика... это красиво в контексте вроде, но не жизненно.

Да, но если перед нами механизм нагретый до ~2000C°, то кроме пневмологики в таких условиях никакой другой вычислитель не построишь.

Это - наивный ход рассуждений. Да, не надо. Но как говорится, бойся данайцев, дары приносящих...

Проблема в том, чтобы все эти лазеры сделать. Это руками никак. Только на саморепликаторах. Хотя, тогда на них же и Вашу луну можно попытаться обустроить. Плутон, там или Эриду…

[alex_semenov]

Это всё лирика. Но есть экспериментальные данные, которые говорят о КПД солнечного лазера в 11-14 %. Т.е. если на квадратный метр активной среды падает 100 кВт солнечного света, ~90 кВт пойдут в тепло. Представим что активная среда такого лазера имеет форму кубика со стороной 10 м. Одна из граней повёрнута к Солнцу - она получает 10 МВт солнечного света, из которых в тепло кубика переходит ~9 МВт. Этот кубик уже даёт мощность лазерного луча 11-14 МВт.
5 граней этого кубика смотрят в черноту космоса с общей площадью ~500 кв. м, рассеивая эти ~9 МВт паразитного тепла, т.е. 18 кВт на кв. м. При черноте граней, равной 0,9 установится равновесная температура кубика примерно 770К или 500Ц.

Еще раз. Вы строете разряженную антенную решетку. Такой комплекс не годится для запуска звездолетов на лазерных парусах.
Я когда-то сам с этой идеей носился и был сильно обломан.

Откройте http://www.lunarsail.com/LightSail/rit-1.pdf
 (к сожалению перевода до сих пор нет).
Читайте отсюда "The Thinned Array Curse"

Об этом есть и на вики

http://en.wikipedia.org/wiki/Thinned-array_curse

Переводится как "проклятье разряженных антенных массивов"

По-русски в сети - нет (вроди) ни слова. Потому что о таком (передача энергии на большие расстояния в далеком будущем) не думаем.  Не до этого нам. Дальше Марса нос не суем!

[alex_semenov]

Поймите, я к идее гравицапы пришел не от хорошей жизни. Не потому что у меня любовь с детства к паравозам. Я сначала потыкался во все те проекты, которые вы мне тут достаете и обнаружил, что нифига там не получатеся, или получается как-то ну уж очень сложно.

Вы вот представляете как направить лучь с точностью до сотых минуты в одну точку неба, находясь на орбите Меркурия? Болтаясь на смом дне, фактически, гравитационной ямы как спичка в унитазе?

По поводу военного применения.
Блин! Ну все секреты им выложи!
Все военные тайны!!!
Да. Я понимаю что замаскировать ЛЮБОЙ излучатель надежно не получится. Тепловой след будет чудовищно выделяться. Если у противника есть "Глаз Ра", совсем спрятаться не получится никак в его поле зрения. Рано или поздно он вас вычислит. Вопрос лишь в том насколько долго можно будет прятаться? Лучше позно чем рано…

Вообще вопрос НАДЕЖНОЙ  маскировки старта военного звездолета (в случае военных действий) - вопрос сложный. Мы его решали сами знаете где. Я ничего умнее, чем спрятаться за светило при старте не придумал, с тех пор.
То есть, между запускающей станцией и целью запуска должна быть материнская звезда закрывающая тепловое излучение старта своим телом и фоном (разумеется). Тогда траектория  запуска проходит по касательной к поверхности . Как мы знаем, запускаются звездолеты не точно на цель, а чуть вперед по пекулярному движению цели. (или  чуть в сторону, вверх или вниз если надо запутать их разведку, что бы та не нащупала луч)
И при таком запуске далекие орбиты тоже выгодней близких к солнцу. Запуск длиться 5 лет. За это время по близкой к солнцу орбите ваш старт намотаете ни один десяток кругов. А  гравицапа, медленно (1-2 км/с) чапая по радиусу 40 а.е. будет все пять лет находиться за спиной у своего светила (кстати, это тоже надо еще считать, может я ошибаюсь).

[alex_semenov]

О! Нашел пропажу!!!!



Температура кипения

Теперь можно считать дальше...

Кстати, заодно попалась вот такая таблица: Теплота испарения органических веществ
Конечно синтезировать десяток гигатон органической атмосферы - это не насобирать уже готового аммиака и углекислоты...
Но если придется? Тем, более что можно теперь и подобрать температуру радиатора повыше (и сделать радиус поменьше)...

ЕЩе тонкость. Если считать микрогравитацию, то надо считать только массу ядра. Внутри тонкостенно оболочки сама оболочка свою гравитацию нейтрализует (вспомним, внутри полой заряженной сферы всюду напряженность поля равно нулю).

[alex_semenov]

Последний на сегодня маленький оценочный расчет. Задуманный еще с утра, но нюансы все испортили. При температуре  -63 С (последняя взятая мною температура радиатора)  один метр квадратны  радиатора излучает 88.2 Ватта (это из С-Б ясно).
Из теплоты испарения (для нормального давления, что для нас не так) следует что в этом случае на 1м2 за секунду должно конденсироваться из внутренней атмосферы на этот метр… 0,0001538 кг  жидкой углекисолты. Сотая грамма.
Килограмм накопится за 1.8 дня…

Ясно, что для теплоносителя мы можем использовать вещество с ЛЮБОЙ теплотой испарения (сколь угодно малой) но такое, котое  при предельно низком давлении (почти вакуум) конденсировалась в жидкость при приемлемой нам температуре (хорошо бы градусов -10, -25 С).

[Андрей Курилов]

Тепловому КПД моего паравоза позавидует иной трансформатор!
85%!!!

Ненене. Не надо подменять понятия. КПД преобразования получаемой энергии в лазерный луч. У вас будет от силы 5-10%, у меня - 10-15 %. Почему так мало у КВС? Потому что КПД получения эл-ва не более 50% по-любому, КПД лазера - 10-20 % в лучшем случае. Вы проигрываете на генерации электричества.

Это все - отмазки. Главная причина - качество энергии. Ее рассеянность. Ее высокая энтропия и неудобство (сложность) концентрации в ток.

И опять мимо. Энергия солнечного света МЕНЕЕ энтропийна, чем тепловая энергия из КВС.

Переводится как "проклятье разряженных антенных массивов"

Не вижу в этом серьёзной проблемы. Даже если это верно для моего случая, то кубический в вакууме лазер с гранью всего в 1000 м уже даст луч в 100-150 ГВт мощностью. Сколько там надо для разгона килотонны до 0,1С?

[Foma]

Это всё лирика. Но есть экспериментальные данные, которые говорят о КПД солнечного лазера в 11-14 %. Т.е. если на квадратный метр активной среды падает 100 кВт солнечного света, ~90 кВт пойдут в тепло. Представим что активная среда такого лазера имеет форму кубика со стороной 10 м. Одна из граней повёрнута к Солнцу - она получает 10 МВт солнечного света, из которых в тепло кубика переходит ~9 МВт. Этот кубик уже даёт мощность лазерного луча 11-14 МВт. 5 граней этого кубика смотрят в черноту космоса с общей площадью ~500 кв. м, рассеивая эти ~9 МВт паразитного тепла, т.е. 18 кВт на кв. м. При черноте граней, равной 0,9 установится равновесная температура кубика примерно 770К или 500Ц.

Это тоже все лирика. Чтобы среда начала генерировать лазерное излучение, мало подать в нее какую-то мощность, нужно вывести ее из термодинамического равновесия, создать инверсную заселенность. Что требует некоторой пороговой мощности накачки, иногда весьма нефиговой. В упомянутой выше ссылке применяли суровую концентрацию солнечного света (в сотни/тысячи раз) с помощью линзы Френеля, только тогда эта штука превращалась в лазер.
А уж превратить в мегаваттный лазер абстрактный "кубик" - нет, ну можно наверное, но какой ценой и каков будет его кпд? Концентраторы вам потребуются даже на орбите Меркурия, эффективность зависит от конкретной среды, конкретных условий и еще много от чего, включая мощность лазера. Как показывает практика, при больших мощностях накачки режим генерации вообще может сорваться, так что если вы соорудили киловаттный лазер, это не значит, что так же легко и непринужденно можно соорудить мега- или -гигаваттный. Масштабируемости здесь точно не будет.

[Андрей Курилов]

ОК, но тогда всё то же применимо и к лазеру на КВС-ной запитке. И вообще тогда получается что все попытки запустить что-либо на э/м-парусе тщетны.

[Андрей Курилов]

Концентраторы вам потребуются даже на орбите Меркурия, эффективность зависит от конкретной среды, конкретных условий и еще много от чего, включая мощность лазера. Как показывает практика, при больших мощностях накачки режим генерации вообще может сорваться, так что если вы соорудили киловаттный лазер, это не значит, что так же легко и непринужденно можно соорудить мега- или -гигаваттный. Масштабируемости здесь точно не будет.

1) Пусть будет коллектор, теневая сторона которого тогда и будет радиатором.
2) Уже есть такой лазер с выходной мощностью более 100 кВт - даже фото в теме были. Вряд ли это предел.

[alex_semenov]

О высоком КПД Гравицапы. Я считал его по Карно. Если у вас Т нагревателя 1500 К, а T холодильника  210 К, то какой у вас будет КПД? Это конечно идеальный, но реальный у машины таких габаритов будет мало отличаться от идеального. В принципе, тут некуда сливать неучтенные потери. Вы думаете почему расчет дает  радиатор с Луну? Это расплата за высокий КПД. Паравоз берется предельных параметров.

Далее.
0.85 - это КПД только тепловой машины. Лазер - отдельная история, хотя я ему заложил тоже 0.8. Итого КПД всего комплекса тепло->луч 0.68.
Кстати именно на слив 1-0.68=0.32 тепловой мощности (то есть и отвод тепла с лазеров тоже) и считалась вся сфера с самого начала. Не только на слив тепла генератора тока.

О лазерах. Я здесь предполагаю многоКИЛОметровый ( сотни километров в диаметре из миллионов отдельных излучателей)  массив лазеров на свободных электронах (ЛСЭ). ЛСЭ - полагаю, это лучший кандидат на такой излучатель.

Во-первых у них можно выбрать любую длину волны (и ее регулировать что технически здесь очень важно).
Во-вторых это магнитно-вакуумные технологии что для космоса очень неплохо (в смысле весовых параметров и из предположения о прогрессе в сверхпроводниках).
В-третьих (и это важный аргумент) эти генераторы изначально в силу релятивистских энергий рабочего тела (пучка электронов) заточены под высокие мощности излучения.
В-четвертых - на них можно добиться высокого КПД в так называемом режиме сверхсвечения (виглер с переменным шагом). Теоретически до 50 %.
В-пятых.  Отработанный в виглере пучок электронов можно рекуперировать, то есть опять превратить в электрическую энергию с высоким КПД. Я и закладывал под этот процесс очень скромный КПД 0.5. В итоге и получил суммарный КПД лазеров 0.8 (опять таки по току, разумеется).
Итого КПД всей гравицапы 0.68.
Да, очень круто. Но мечтать не вредно. Вредно не мечтать. Повторяю еще раз. Это машина предельных возможностей. То есть для некой сверхцивилизации, которая по всяким там Кардашевым должна "галактики сворачивать". Но так как мы теперь представляем сверхцивилизацию гораздо скромней, то вот такой предел ее могущества я и пытаюсь нарисовать.
Для нас убогих это немыслимо. Разумеется. Мы можем только считать реалистичность физики.

Кстати, лазеры на свободных электронах при обычном виглере дают те же 10-15% КПД.
А их ближайшие родственники мазеры вполне вытягивают до 50-60%. Разница  принципиальная - длина волны. Чем длинней волна - тем проще добиться  высокого КПД когерентного монохромотичного герератора. Ведь радиостанцию, на УКВ или КВ тоже можно назвать лазером. 
Поэтому я бы и стремился сделать длину волны луча как можно длиннее, но это приведет к очень большой фокусирующей оптике. Так что тут наша сверхцивилизация, видимо тоже будет искать здравый компромисс.
Если им будет проще построить линзу на 100 000 км, то ради бога, тогда излучатель гравицапы можно сделать на мазерах с 10 мм длинной волны, а сам парус звездолета сделать не сплошным алюминиевым, а сеткой радиопаруса. Все характеристики только улучшаться.

[Андрей Курилов]

0.85 - это КПД только тепловой машины. Лазер - отдельная история, хотя я ему заложил тоже 0.8. Итого КПД всего комплекса тепло->луч 0.68.

Абсолютная фантастика. КПД одной только турбины, преобращующей энергию движения рабочего тела во вращетельную, в любом случае будет меньше. КПД лазера тоже из разряда фантастики. Или я чего-то не знаю? Где вы видели такие лазеры.