КВС в космосе

[Андрей Курилов]

массив лазеров

thinned array curse

[alex_semenov]

массив лазеров

thinned array curse

Не разреженный массив а  просто массив.

Смотрите.
Вот  сплошная антенна.


Тут все ясно.

Вот массив антенн:

Плотный массив.
Вообще на этой картинке (это не реализованный проект телескопа "Циклопус") есть небольшое разрежение, но представьте что чашки друг к другу прилегают почти без зазоров. Это технически возможно, если антенны ограничена в наклоне от вертикали.
Получается просто массив антенн (сплошной). Такой и должен быть излучатель гравицапы.
Вообше, если расстояние между центрами антенн не сильно больше, чем диаметр решетки, то такую антену можно назвать сплошным массивом.



А вот - разреженный массив:


И вот разреженный массив:


Особенность в том что расстояние между центрами антенн много больше диаметров сплошных антенн.
Это РАЗРЕЖЕННАЯ антенная решетка и она при передаче дает массу боковых лепестков в которые уходит энергия. Чем ближе вы смыкаете антенны, тем меньше становятся боковые лепестки.

Все современные телескопы (работающие не на передачу а на прием) делаются как разреженные антенные решетки, например Square Kilometer Array :


..ибо это позволяет увеличивать разрешение, но  за счет сохранения (относительного снижения) чувствительности. Чувствительность у современных телескопов и так хорошая. А вот разрешение требует гнать их размеры. Такая антена точно целится в небо, но принимает не всю (и понятно почему) энергию, падающую оттуда на охватываемую разреженной решеткой площадь.
Это легко понять.
Тяжелее понять почему принцип интерферометра работает зеркально и на передачу.
Да, вы можете через разреженную решетку, если синхронизируете все передатчики по фазе (важная и сложная задача!), сконцентрировать излучение в малое пятно на далеком расстоянии (по формуле дифракционного предела). Но у разреженной решетки таких пятен там будет много (центральное будет самым сильным, а боковые все слабее и слабее) и центральное пятно получит только долю энергии, которая равна (вот в чем проклятье!) отношению суммарной площади всех антенн к суммарной площади пространства антенной решетке. В сплошной, плотной решетке это отношение 1.

Вот почему, например, нельзя передавать послания в космос инопланетным цивилизациям через современные телескопы - разреженные решетки. Только через Аресибо или "ржавую" советскую через в Евпатории.





<Разреженные решетки. От слова "редко". В.В.>

[Андрей Курилов]

Не разряженный массив а  просто массив.

Тогда ничто не мешает сделать и плотный массив солнечных лазеров. У нас с вами различие лишь в способе добычи энергии вообще и в местоположении энергостанции.

[Андрей Курилов]

Проблема ещё осталась -  воздействие среды на пепелац на скорости С/10 и более.

[Foma]

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).

Насчет кпд ссылку в студию.
Да, есть проекты хитрых виглеров, которые повышают эффективность, но фактически реализованных, да с большим кпд не припомню. Сверхсвечение - это из другой оперы. Там суть вообще не в магнитной системе, а в предварительно приготовленных "сгустках" электронов, которые излучают синфазно. В таком подходе кроме прочего можно радикально уменьшить длину девайса, но это опять же пока больше теория, чем практика.
По большому счету у ЛСЭ есть только одно преимущество - сами электроны. Это очень простая активная среда, которая не портится ни при каких мощностях. Если в газ вкачать большую мощность, полезут всякие градиенты плотности, неустойчивости, что плохо скажется на генерации и качестве луча. А тут нет.

[alex_semenov]

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.

Не фантастика, а "достаточно продвинутая технология".

Третий закон Кларка: Достаточно продвинутая технология не отличима от магии

КПД одной только турбины, преобращующей энергию движения рабочего тела во вращетельную, в любом случае будет меньше.

Конечно.
Но вообще говоря, КПД турбины сильно зависит от рабочего тела… В земных условиях используется водяной пар, как наиболее доступное и привычное рабочее тело. Но пар далеко не идеален. Я не зря выкладывал в догонку к подборке о КВС и вот это
http://go2starss.narod.ru/pub/E031_BE.html



Но самое главное. Отобрать всю энергию действительно одной турбиной не получится, но можно поставив каскад турбин, использующих разный теплоноситель.  Тогда холодильник вышестоящей турбины будет нагревателем для нижестоящей.
При этом (это надо еще считать) чем холодней становится теплоноситель (ниже каскад) тем дороже получается отбор энергии. Поэтому, возможно  они (в смысле строители гравицапы) и не пойдут на такое предельное значение КПД. Два-три каскада (не учитывая первый, который вообще скорей всего будет электроэмиссионный).

Но принципиальной ошибки в применении формулы  Карно тут не.
Если вы не ограничены в массе установки (а в астроссоружении масса генераторов просто теряется на фоне всех остальных масс) то вы можете позволить себе максимальный тепловой КПД.
В этом - изюминка. Люди мыслят слишком приземлено. Они думают, что если привычные им паравозы грязные и не летают, то и не годятся летать к звезлам. А паравозы, они такее! Они могут!!!

КПД лазера тоже из разряда фантастики. Или я чего-то не знаю? Где вы видели такие лазеры.

Я выше сказал, лазер на свободных электронах.



Вигглер, кстати с двумя г. Надо запомнить…
В чем прелесть установки. Даже если вы снимаете в лазерный луч только 10-15% энергии электронного пучка, то отработанный пучок - это все же ток в ускорители (с хреновой правда скважностью), его можно назад превратить в ток. Не весь, разумеется. Но заметную часть. И очень эффективно превратить. Поэтому в принципе вы можете даже если не будете использовать сверхсвечение (я не знаю насколько качественный луч в этом случае получается), то все равно можете  обеспечить в них огромный суммарный КПД преобразования тока в луч, запустив одну и ту же энергию по кругу.

Вообще говоря, все что мы сейчас обсуждаем - это все детали куда более скромного проекта "Одувавнчик", где вся такая инфраструктура строится не из одного КВС а из множества поменьше, расположенных на поверхности планетоида типа Церера. Ледяная поверхность - радиаторное поле для массива реакторов. И именно его площадь и ограничивает максимальную мощность генератора луча. Но так как всякий такой планетоид вращается, то возникает проблем с размещением массива излучателей (разумеется на поверхности). Я придумал разместить излучатели на полюсах и повесить (что особый геморрой)  специальное направляющее зеркало (тоже устройство невероятное, расчет его термобаланса поверг меня в ужас. Даже многослойное зеркало Брэгге будет очень сильно греться!).
И хотя "Одуванчик" тоже должны строить машины-саморепликаторы, объем работ там много скромней (по сути развертывание на поверхности планетоида машинной цвилизации. Разбирать планету не надо). И мощности - поменьше.
Существенный и неустранимый недостаток этой системы - повышенный расход актиноидов в малых КВС.
Гравицапа же - это как  я уже сказал - предел мечтаний.
Это попытка решить проблему радикально!
По-королевски!

[alex_semenov]

Насчет кпд ссылку в студию.
Да, есть проекты хитрых виглеров, которые повышают эффективность, но фактически реализованных, да с большим кпд не припомню. Сверхсвечение - это из другой оперы. Там суть вообще не в магнитной системе, а в предварительно приготовленных "сгустках" электронов, которые излучают синфазно. В таком подходе кроме прочего можно радикально уменьшить длину девайса, но это опять же пока больше теория, чем практика.
По большому счету у ЛСЭ есть только одно преимущество - сами электроны. Это очень простая активная среда, которая не портится ни при каких мощностях. Если в газ вкачать большую мощность, полезут всякие градиенты плотности, неустойчивости, что плохо скажется на генерации и качестве луча. А тут нет.

Спасибо. Но вы, как мне кажется, взяли неверный акцент... (выделил жирным).
Мол, нет такой технологии, мол сложно ПОКА, не видно еще...
Разумеется нет! Разумеется сложно! Разумеется есть только в теории...
Мы ведь говорим о перспективных технологиях отдаленного будущего (или настоящего высокоразвитых древних цивилизаций где-то в далеком космосе). То есть, о технологиях которые возможно не появятся у нас еще 100 или 500 лет, но в принципе они технически возможны, допускаются известной уже нам физикой (это главное, ключевое условие).

Лазерные парусники - это фактически доведенная до ума фотонная ракета. Разумеется их нельзя взять и прямо сейчас построить. Они предполагают очень быстрое перемещение между звездами и потому это технология даже не завтрашнего (следующего светлого) а послезавтрашнего дня ДЛЯ НАС.
Весь разговор о гравицапе - научная спекуляция. Не более. 
Поэтому аргумент "не видел пока" или "это только теория" вряд ли нас отвернет от идеи использовать ЛСЭ


Но по существу.
Если вы разбираетесь в ЛСЭ лучше меня. Что о рекуперации энергии пучка? Нам ведь нужен высокий общий КПД генератора. Если энергию отработанного пучка опять вернуть в установку, то можно иметь высокий кпд и без сверхсвечения и при низкой отдаче самого пучка при одном проходе через вигглер.
Нет?

По поводу КПД сверхсвечения, сразу и не скажу где украл. Но где-то читал и неоднократно. Надо поискать...

[alex_semenov]

<Разреженные решетки. От слова "редко". В.В.>

Спасибо за правку. Я не поблагодарив в прошлый раз. Да, нужно следить за орфографией...

[alex_semenov]

Еще о разряeженных антенных решетках и о возможных астросооружениях.

У Форварда в (так пока и  непереведенном на русский) романе "Мир Роша"  генератор разгонного луча парусника "Прометей" (80 000 тонн массой) на солнечных лазерах как раз является такой разряженной решеткой!
Вот моя перерисовка его схемы из книги (там масса технических схем! Проект прорисован достаточн детально.  Вплоть до положения коек, кухни и кресел на SEM - экспедиционном самолете где происходит половина приключений романа ):



Здесь:
1 - Меркурий.
2 - Спутники-генераторы (1000 штук) на полярных орбитах.
3-  Фильтрующий (вырезающий нужные полосы солнечного света) солнечный коллектор 32 км в диаметре.
4 - солнечный лазер (сколько мегаватт - не помню. Надо поднимать первоисточник. Ну очень много. Это моя версия, не Форварда и согласно моей версии длина рабочей зоны тут километры).
5. - Направляющая оптика (выход резонатора) .
6 - теневой конус Меркурия (всегда направлен от солнца)
7- кольцевой левитинующий парус (фирменное изобретение Форварда)
8 - Подвешенная на кольцевом парусе станция управления и обслуживания.
9  - принимающее зеркало L-2.
10 - направляющее зеркало в L-2.

Рисунок я делал давно и не знал тогда всех нюансов (книгу тогда я еще тоже не прочел). Я не показал тут еще одно описанное в романе устройство и отмеченное у Форварда на схеме, но мною не понятое и выкинутое.
Между 9 и 10 находится некий цилиндр, через который проходит собранный луч и в котором, судя по описанию в книжке, происходит  выравнивание фаз 1000 отдельных разнофазных лучей в один луч.
Делалось это посредством неких хитро движущихся внутрицилинда пленок… Как себе Форвард (доктор астрофизики) представлял это все - тяжело понять. Возможно просто фантазировал? 
Меня смутило то, что если диаметр зеркал на которых собирались лучи в километр-другой, то мощность на м2 там должна быть чудовищная. И вообще говоря, мне мало верится, что таким вот образом можно обойтись с лучом и поправить ситуацию с проклятьем антенных решеток.

[alex_semenov]

Тогда ничто не мешает сделать и плотный массив солнечных лазеров. У нас с вами различие лишь в способе добычи энергии вообще и в местоположении энергостанции.

Никто не мешает.
Но если вы поставите лазеры в плотный массив, то они уже не смогут так просто сливать энергию в космос вокруг себя. Они будут друг друга греть. Значит вам нужно строить систему радиаторов ВОКРУГ этого массива.
Кстати, не советую делать массив слишком уж большим (скажем круг в 1000 км сплошь заполненным фасетками-зеркалами). Alex_AV как-то просто показал что малейшие колебания краев  такой конструкции друг относительно друга сильно испортит синфазность луча на краях. То есть пятно в фокусе сразу же расползется.
Линза Френеля в этом смысле как раз и лучше зеркала, что она нечувствительна к Доплер-смещениям частоты за счет колебаний конструкции.  Поэтому есть смысл все-таки иметь относительно небольшой синтезированный массив излучателей на твердой основе (разумеется твердости основы мало, нужна  активная настройка, как на последних телескопах но на порядки точнее) , луч которого собирается большой (теперь уже такой как нам надо в сотни и тысячи км) линзой.

[Foma]

Что о рекуперации энергии пучка? Нам ведь нужен высокий общий КПД генератора. Если энергию отработанного пучка опять вернуть в установку, то можно иметь высокий кпд и без сверхсвечения и при низкой отдаче самого пучка при одном проходе через вигглер.

Идея хорошая, но пока ей никто всерьоз не заморачивался - просто не было необходимости. ЛСЭ с рекуперацией пока штучный товар, сходу могу назвать только новосибирский, там достигнута рекуперация 90%, они долго к этому шли и видимо это современный технологический потолок.
Применительно к нашим делам, одной рекуперации мало, кпд однократного прогона все равно должен быть достаточно высок. Как нетрудно подсчитать, исходный кпд 1% с помощью 90% рекуперации можно поднять лишь до 9.2%. Если кпд 10%, достижима общая эффективность 52.6%, и так далее.То есть нужен ЛСЭ с однократным кпд хотя бы в 10-20%, лучше 30%.

[Andrew Gontchev]

Вот  сплошная антенна.

Ошибка: на первом снимке месса - р/т "Аресибо", сетка, иначе зеркало рухнуло бы на поселок (от чудовищной массы воды: тропики, ливни, 300 метров диаметра, 20-50мм осадков за раз - массу аквы сами прикиньте) который под ним. Сам занимался модернизацией этого объекта в 1995-96 годах.
" Чем ближе вы смыкаете антенны, тем меньше становятся боковые лепестки" - кол с минусом по электродинамике-теории антенн. Уровень боковых лепестков (Side Lobs) зависит только от оптической схемы антенны, но никак не от расстояния между прожекторными лучами аппертур!

[ВадимZero]

КВС электростанция в космосе думаю худший вариант. Открытые ловушки тут более перспективны.

[Прохожий]

Бомба уже 60 лет работает. В отличие от остальных ТермоЯдерных проэктов.....

[alex_semenov]

Применительно к нашим делам, одной рекуперации мало, кпд однократного прогона все равно должен быть достаточно высок. Как нетрудно подсчитать, исходный кпд 1% с помощью 90% рекуперации можно поднять лишь до 9.2%. Если кпд 10%, достижима общая эффективность 52.6%, и так далее.То есть нужен ЛСЭ с однократным кпд хотя бы в 10-20%, лучше 30%.

Гм...  Потребовалось некоторое время чтобы понять КАК "нетрудно посчитать"...

Сначала выстроил разностную модель в Excel, а потом уже выкрутил как надо...
Действительно, если k - КПД рекуперации, а "эта" (которая почему-то у меня все время "ню") - КПД самого лазера (свет/электричество) то доля излучаемой лазером энергия  на i-том цикле рекуперации:



На первом кпд равно "ню" и потом меньше, меньше, меньше.
Видно что доля возвращаемой в луч энергии на каждом цикле -  геометрическая прогрессия b_i=b₁q^i-1, при этом q <1, поэтому сумма бесконечнго ряда (вспоминаем школу, вот оказывается зачем эти прогрессии нужны!): S=b₁/(1-q):



Да, так теперь нетрудно и посчитать...

Спасибо! Не обращал внимание на этот тонкий нюанс. Действительно... Я бы так и прошел мимо этого факта...
Не просто спасибо, а спасибо с плюсом!

[Andrew Gontchev]

Действительно, если k - КПД рекуперации, а "эта" (которая почему-то у меня все время "ню") - КПД самого лазера (свет/электричество) то доля излучаемой лазером энергия  на i-том цикле рекуперации:

Интерференцию (феддинг) стоячей волны (приемник - передатчик) не учли

[alex_semenov]

КВС электростанция в космосе думаю худший вариант. Открытые ловушки тут более перспективны.

Да. Я сам с некоторых пор именно открытые ловушки люблю. И если они заработают - то да, это хорошая идея. Хотя их ведь по-сути можно кормить (есть смысл) только одним видом топлива: гелий-3 + дейтерий.
При этом опять таки вопрос, дешевли   с помощю таких ловушек получить 20 000 тераватт мощности?
Ведь в чем ужас гравицапы? Мы пытаемся получить в одной установке энергии в 1000 раз больше, чем добывает и потребляет вся наша цивилизация!

[alex_semenov]

Бомба уже 60 лет работает. В отличие от остальных ТермоЯдерных проэктов.....

В принципе это не такой уж и аргумент... Сдается мне что магнитный термояд физики таки додавят... КВС тоже на грани фола... Но прелесть (превосходство)  все же в том что он жгет только дейтерий (есть вода? есть топливо!). Еще плюс - эта установка по самому своему принципу заточена как мощный точечнй источник энергии. Масштабирование вверх только усиливает ее достоинства.  А минус - ей нужно хоть и мало, но урана или тория...

[ВадимZero]

На основе ГДЛ уже сейчас можно сделать реактор. Только длинна его будет около километра, ну и мощность соответственно.

[alex_semenov]

На основе ГДЛ уже сейчас можно сделать реактор. Только длинна его будет около километра, ну и мощность соответственно.

Да, я знаю что для ловушки тоже чем больше тем лучше. Но в данной теме я бы не стал в это дело углубляться. В конце концов, там своих нянек хватает.
Возвращаясь к проблеме радиатора гравицапы. Вот тут вот http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9B%D1%91%D0%B4  я нашел такую диаграмму:



Видно что с падением давления температура фазового перехода лед-жидкость обычного льда вроде как поднимается градусов до 10 С и больше. Так ли это?
Если так, то не совсем понятно вот что. По формуле:



я высчитал что при давлении в 0.01 атм вода закипает при температуре +3,1 С. То есть чуть ниже - уже конденсируется в воду из насышенного пара. А лед при такой температуре и давлении, вроде еще и не тает. Это как?  Вот если бы все было так красиво, то можно было бы использовать воду  и в качестве теплоносителя (пар-жидкость) и в качестве стройматериала (лед) радиатора...   Как говориться и рыбку съесть... Потолок ледяной, дверь скрипучая!... 
А +3 С у радиатора - это  неплохо. КПД тепловой машины упадет до 0.81 но и диаметр гравицапы  станет менее 3 000 км! Моя табличка дает 2 956 504 м.   На 500 км меньше чем у Луны!