Космический парусник: имеет ли он смысл?

[Kochelev]

Согласно Семенова (5 сообщение) 16% процентов энергии луча ---- прямой энергоудар по всему, что впереди разгоняемого паруса.

Сдувающий Луч через парусину проходит?

[Kochelev]

Метеоритов не будет. А если будет, можно впереди запустить экран. Особенно хорошо на его роль подойдет использованный парус

И как обеспечить вектор его дальнейшего движения в трансверсале полезной нагрузки?

[Kochelev]

Парус имеет толщину в 40 нм

Александр Анатольевич, а вот теперь, отбросьте свойственную Вас причинного-следственную связь убеждать свою правоту броскими, но несостоятельными (для специалистов) картинками (где Вы только успеваете их откапывать?  ) и  предложите:
1. Конструкционный материал (40 нан)
2. И технологию изготовления его в виде мономорфного непрерывного полотна.

Все застыли в ожидании 

[Проходящий Кот]

Здесь есть тема
https://astronomy.ru/forum/index.php/topic,99223.0.html
и там всё сказано....

[vsevolodson]

Ну давайте плясать от этой цифры. 40 нм алюминия - это 0,108 г/м². Если исходить из плотности среды 10^-25 кг/м³, то получается что парус встретил бы собственную же массу на пути в 7,2 млрд. АЕ. Допустим средняя кинетическая энергия при разгоне составляет 0,001С². Если считать, что встречные частицы отдают лишь 1/1000 своей энергии при столкновении с парусом (очень оптимистично), то значение будет 10^-6С². Это почти 90 ГДж/кг. Удельная суммарная теплота плавления и испарения алюминия 11293 Дж/кг. Для простоты и грубости оценки будем считать, что в вакууме у паруса дело обстоит также. Удельная энергия (в рассчёте на 1 кг) набегающей частицы 8 млн раз превосходит, таким образом, в среднем, удельную энергию испарения алюминия. Поэтому получаем, что парус будет полностью уничтожен при разгоне до 0,01-0,1 C на расстоянии 900 АЕ.

Вывод: сия грубая оценка не позволяет утверждать о том, что парус будет уничтожен ещё до окончания разгона. Однако обратного также не показано в достаточной степени. Если частицы отдают 1/100 своей энергии, то это уже впритык, а если 1/10 - то парус вообще нереализуем даже по такой грубой оценке. Дифференциальный рассчёт только ухудшит картину, думаю.

[Kochelev]

Здесь есть тема
https://astronomy.ru/forum/index.php/topic,99223.0.html
и там всё сказано....

На ерунду ссылки не давайте
"Фишка в слове нанотехнологии" 

[Kochelev]

Ну давайте плясать от этой цифры. 40 нм алюминия - это 0,108 г/м2

Модуль собственной текучести алюма учли?

[Polnoch Ксю]

Метеоритов не будет. А если будет, можно впереди запустить экран. Особенно хорошо на его роль подойдет использованный парус

И как обеспечить вектор его дальнейшего движения в трансверсале полезной нагрузки?

А в чем Вы видите возможную проблему в полете по инерции?

[Kochelev]

А в чем Вы видите возможную проблему в полете по инерции?

В том, что трансверсали разойдутся. Кстати, линзы коллиматора мгновенно испаряться, даже если их коэффициент пропускания будет "много нулей близок к 1". Потому что нуль-нуль фиг десятых поглощения - все равно будет чудовищной мощностью!

[vsevolodson]

Модуль собственной текучести алюма учли?

Нет конечно. Моё дело усомниться. Я даже что-то порассчитывал. Ну а почему я должен "доказывать что я - не олень, даже если у меня нет рогов"? Эт сторонники паруса должны всё учесть и рассчитать. Но они этого упорно не хотят делать...

PS
Мне вообще кажется, что такая эфемерная штука, как 40 нм алюминия, сама собой растворится в вакууме при ненулевой Т за короткое время. Но давления насыщенных паров алюма для температур в диапазоне 100-900 К не нашёл пока.

[vsevolodson]

Но давления насыщенных паров алюма для температур в диапазоне 100-900 К не нашёл пока.

При 773К будет 10^-8Па. Уже что-то. Кто поможет рассчитать скорость испарения?

[Kochelev]

Нет конечно. Моё дело усомниться. Я даже что-то порассчитывал. Ну а почему я должен "доказывать что я - не олень, даже если у меня нет рогов"? Эт сторонники паруса должны всё учесть и рассчитать. Но они этого упорно не хотят делать...

PS
Мне вообще кажется, что такая эфемерная штука, как 40 нм алюминия, сама собой растворится в вакууме при ненулевой Т за короткое время. Но давления насыщенных паров алюма для температур в диапазоне 100-900 К не нашёл пока.

Я вовсе не Вас персонально имел ввиду, но Вы -правы: 0,04 микры алюма не испарятся в вакууме, они не "изготовляемы" в силу свойств самого элемента (это еще "хуже" золотой сусали )
То есть моментально диффундируют при прикосновении к подложке (скажем вальцов прокатки)

[ВадимZero]

В парусе конечно. Пылинка с точки зрения паруса всего лишь сгусток частиц. При их прохождении будут иметь место обычные тормозные потери. При 0.1с  для углеродной пылинки и алюминиевого паруса это 550 эВ/нм на атом. Вся эта энергия первоначально пойдёт только к электронам паруса в месте удара. В результате в месте удара (в парусе) образуется вещество с электронной температурой в сотни эВ. Причём вещество достаточно интересное. Электроны окажутся очень горячие, но ионы первые десятки-сотни пикосекунд (для столь неравновесного вещества это много) об этом знать не будут,и будут оставаться в узлах своей кристаллической решётки. Такое состояние называют warm dense matter (какого-то устоявшегося перевода на русский пока нет, у нас обычно пишут или тёплое вещество или просто WDM, но это не общепринято). А далее оно уже будет как-то релаксировать.

Тоесть получаеться, что площадь поражения паруса будет заметно больше сечения самой пылинки. Разве электроны, паруса не получат некоторый общий импульс в сторону движения пылинки?

Одиночный  протон – маловероятно, потери энергии при торможение слишком малы, но вот даже одиночный атом кремния или железа уже может пробить заметный трек.

Думаю для алюминевого паруса, одиночный трек врятли будет большой проблемой. Метал текуч, и за счет диффузи востановит свое строение. А вот такелажу будет плохо от этих треков. Углерод, кислород и азот, это 1% межзвездного газа, а на кремний и железо будет приходиться мизер.

Ну давайте плясать от этой цифры. 40 нм алюминия - это 0,108 г/м2. Если исходить из плотности среды 10-25 кг/м3, то получается что парус встретил бы собственную же массу на пути в 7,2 млрд. АЕ. Допустим средняя кинетическая энергия при разгоне составляет 0,001С2. Если считать, что встречные частицы отдают лишь 1/1000 своей энергии при столкновении с парусом (очень оптимистично), то значение будет 10-6С2. Это почти 90 ГДж/кг. Удельная суммарная теплота плавления и испарения алюминия 11293 Дж/кг. Для простоты и грубости оценки будем считать, что в вакууме у паруса дело обстоит также. Удельная энергия (в рассчёте на 1 кг) набегающей частицы 8 млн раз превосходит, таким образом, в среднем, удельную энергию испарения алюминия. Поэтому получаем, что парус будет полностью уничтожен при разгоне до 0,01-0,1 C на расстоянии 900 АЕ.

Вы тут не посчитали радиационные потери паруса. А то у вас получаеться парус какбудто термоизолирован.
Кстати в статье "Реальности межзвездных перелетов" описан радиационный баланс экрана на скорости 0.75 с

Например, при скорости полета 0,75с энергия протона водорода будет примерно 500 Мэв - в единицах ядерной физики, что соответствует 8·10-11 Дж. Он будет внедряться в экран на глубину нескольких миллиметров и передаст эту энергию колебаниям атомов экрана. А таких частиц будет налетать около 2·1010 атомов и столько же молекул водорода в секунду на 1 см2 ,то есть каждую секунду на 1 см2 поверхности экрана будет поступать 4.8 Дж энергии, переходящей в теплоту. А проблема в том, что в космосе отводить эту теплоту можно только путем излучения электромагнитных волн в окружающее пространство (воздуха и воды там нет). Это значит, что экран будет нагреваться до тех пор, пока его тепловое электромагнитное излучение не сравняется с поступающей от налетающих частиц мощностью. Тепловое излучение телом электромагнитной энергии определяется законом Стефана-Больцмана, согласно которому энергия, излучаемая за секунду с 1 см2 поверхности равна q=sТ4 где s =5.67·10-12 Дж/см2К4 -постоянная Стефана, а Т - температура поверхности тела. Условием установления равновесия будет sТ4=Q где Q - поступающая мощность, то есть температура экрана будет Т=(Q/s)1/4 . Подставляя в эту формулу соответствующие значения, найдем, что экран будет нагреваться до температуры 959оК = 686оС. Понятно, что при больших скоростях эта температура будет еще выше. Это значит, например, что экран нельзя делать из алюминия (его температура плавления всего 660оС),

Если вы прикинете радиационный баланс для паруса, на скорости 0.2с, то получите температуру ниже нуля. У меня навскидку получилась температура 100 кельвинов...При энергии протонов 15 мэв, коофиценте поглощения их энерги в 1%

[ВадимZero]

Кстати, линзы коллиматора мгновенно испаряться, даже если их коэффициент пропускания будет "много нулей близок к 1". Потому что нуль-нуль фиг десятых поглощения - все равно будет чудовищной мощностью!

Линза колиматор имеет большой диаметр.. 1000-200км. Потому наагрев линзы будет весьма скромный.

То есть моментально диффундируют при прикосновении к подложке (скажем вальцов прокатки)

Не думаю что парус будет изготавливаться на прокатном стане. Скорей всего возмут подложку, напылят на нее тонкий слой алюминия, затем химическим способом удалят подложку.

[alex_semenov]

Вообще-то нет особого настроения вникать в эту тему именно сейчвас.
Но нужно быть в высшей степени кретином, что бы терять такого собеседника.

В пылинке или в парусе?
Парус имеет толщину в 40 нм.  Прикинте время, за которое проходит пылинка на скорости 0.1с через парус. Какие теплообменные, скажем, эффекты метут тут случиться?
Нет, может действительно все так сложно.

В парусе конечно. Пылинка с точки зрения паруса всего лишь сгусток частиц. При их прохождении будут иметь место обычные тормозные потери. При 0.1с  для углеродной пылинки и алюминиевого паруса это 550 эВ/нм на атом. Вся эта энергия первоначально пойдёт только к электронам паруса в месте удара. В результате в месте удара (в парусе) образуется вещество с электронной температурой в сотни эВ. Причём вещество достаточно интересное. Электроны окажутся очень горячие, но ионы первые десятки-сотни пикосекунд (для столь неравновесного вещества это много) об этом знать не будут,и будут оставаться в узлах своей кристаллической решётки. Такое состояние называют warm dense matter (какого-то устоявшегося перевода на русский пока нет, у нас обычно пишут или тёплое вещество или просто WDM, но это не общепринято). А далее оно уже будет как-то релаксировать.

Спасибо. Хорошо. Убедили.
Хотя я полагал что почти вся энергия уйдет с излучением. А так как размеры тут мелкие, все процессы будут на поверхности. В общем тут есть на что надеятся…
Но в таком случее лучше перебдить.
Согласен.
Допустим.
Но тогда можете  прикинуть "диаметр дырки" которая выгорит в парусе от частицы? Скажем частица микрон 10^-6 м. Какое отверстие в итоге выгорит?   В 10 раз больше? В 100 раз? В 1000? Это -принципиальный вопрос.
Ориентировочно, разумеется. Оценить порядок.
Совсем хорошо было бы иметь зависимость (кривую, формулу) диаметра зоны поражения от размера частицы (при фиксированной скорости). Хотя бы оценить порядок зависимости (линейная, например). И разумеется зависимость выгорающего отверстия от энергии (скорости) частицы фиксированного размера. Опять же, хотя бы зависимость. В общем, надо за что-то зацепиться для оценок.
Ясно, что я хочу слишком многого.
Но как конструктор я был именно такой вопрос и задавал бы ученому.

Но одиночный протон на скорости 0.1с, как мне кажется, проходит через парус вообще НЕ ЗАМЕЧАЯ его.

Да, частица будет передавать парусу лишь незначительную часть своей энергии, но и этой энергии вполне может оказаться достаточно, чтобы вызвать сильную эрозию вещества.  Одиночный  протон – маловероятно, потери энергии при торможение слишком малы, но вот даже одиночный атом кремния или железа уже может пробить заметный трек.

Ну с частицами, я думаю проще. Разумеется, если частица "застрянет", мало не покажется.
Хотя тут тоже надо считать. СКОЛЬКО ЭТО?
Но что показывает длина свободного пробега? Скажем 100 мкм? Это то, что с вероятностью  1 частица "застрянет" на такой дистанции в алюминии.  Где-то прореагирует. Если алюминий у вас тоньше в 100 000/40  раз, то это означает что только один протон из 2500 застрянет в парусе. Это равносильно тому, что плотность межзвездного водорода упала в 2500 раз.
Логично?

Еще. Да, если попадет частица с большим Z чем у водорода, пробег резко уменьшается. Но и концентрация таких частиц в межзвездной среде на много порядков ниже (можно просто взять распространенност веществ во вселенной по отношению к водороду. Верно?). Так что...

[alex_semenov]

В любом случае всякий реальный звездолет будет иметь габариты планетоида и плотность мыльного пузыря. Парус - один из кандидатов. Второй кандидат - токовая петля магнитного паруса (и парашюта).

Неужто хотите сказать, что кроме паруса, звездолётов других быть не может? Бред.

Почему же не может? Может. Например километровая ажурная труба пробкотрона из 20 м колец… Если там все срастется, то получится очень длинная палка. Но плотность этой конструкции (объем к массе) получится ничтожная, а поверхностная плотность как у мыльного пузыря…

Как ни крути, любой РЕАЛЬНЫЙ звездолет ( на скорости более .05c) будет "мыльным пузырем" по консистенции.

Давление насыщенных паров алюминия при ненулевой Т может испарить парус такой толщины. Факторы эрозии не дадут этому случиться, уничтожив парус много раньше.

Я не материаловед. Но я опираюсь на работу Дрекслера 1977-го года и с тех пор его некто пока не опроверг (хотя это не показатель, разумеется). Там тоже были разговоры о давлении насышеных паров, про коогулирование (скатывание пленки в шарики) но ПРАКТИКА дала резко лучший результат, чем теория.
И объясняется это оксидной пленкой.
Дрекслер опирается на других материаловедов, один, кстати, русский. И он провел ключевые исследования с реальными пленками. Те кто работали с нанометровой толщиной пленок дают близкие ЭКСПЕРЕМЕНТАЛЬНЫЕ данные по прочности, коагулированию и т.д.
Я давал ссылку на Дрекслера тут в начала!
Кстати если такая пленка разрушается (нагреть и потянуть сверх меры), то она действительно схолпывается в капельки как мыльный пузырь. Один в один. Эффект тот же самый.

Но одиночный протон на скорости 0.1с

Только вот парус встречает далеко не только одни протоны. Даже если брать в рассмотрение только частицы H⁺ и H⁰, то может оказаться, что решающий вклад вносят электроны, так как протоны имеют высокую проникающую способность (при условии, что нейтральный атом водорода тут же незаметно ионизируется). И это ещё без учёта H₂, He, пыли и прочего.

Да понятно. Я уже согласился с тем что "дырка" скорей всего будет больше. Осталось оценить КАКАЯ?
Учтите, что чем СЛОЖНЕЙ частица (например молекула водорода) тем реже она встречается. То есть надо оценивать разрушение в комплексе.

[alex_semenov]

Парус имеет толщину в 40 нм

Александр Анатольевич, а вот теперь, отбросьте свойственную Вас причинного-следственную связь убеждать свою правоту броскими, но несостоятельными (для специалистов) картинками (где Вы только успеваете их откапывать?  ) и  предложите:
1. Конструкционный материал (40 нан)
2. И технологию изготовления его в виде мономорфного непрерывного полотна.
Все застыли в ожидании 

Для особо одаренных (ослепленных) чувством собственной непревзойденности, прямая ссылка:

DESIGN OF A HIGH PERFORMANCE SOLAR SAIL SYSTEM  by KIM ERIC DREXLBRB.S. Massachusetts Institute of Technology (1977)

Удовлетворит вас на 100%. И все механические свойства рассмотрены и представлена технология производства такой пленки непосредственно в космосте (машинка подгадана под размер грузового отсека их буржуйского челнока, разумеется, который тогда только еще рождался на свет). В общем, парус в первом приближении был спроектирован. И технология изготовления - тоже.
Перевода пока, к сожалению нет.
Но есть вот такая, более поздяя работа уже мною переведенная:

http://go2starss.narod.ru/pub/E32_UTSS.html

Хотя она куда меньше внимания уделяет именно технологии и конструкция паруса куда примитивней чем у Дрекслера. Здесь сделана ставка на другой способ получения пленки в космосе. Вместо изготовления на месте, пленка изготавливается на подложке, которая выводится в космос, разворачивается, а потом тихо испаряется.
То есть существует по крайней мере две базовых идеи о том как изготовить такой "мыльный" парус.

[alex_semenov]

А в чем Вы видите возможную проблему в полете по инерции?

В том, что трансверсали разойдутся. Кстати, линзы коллиматора мгновенно испаряться, даже если их коэффициент пропускания будет "много нулей близок к 1". Потому что нуль-нуль фиг десятых поглощения - все равно будет чудовищной мощностью!

Я конечно не видел начала спора, но вообще говоря, для монохромного когерентного излучения очень хорошо работают зеркала на эффекте Брэгга.
Этот эффект пока неудобно использовать для парусов, потому что отражающая поверхность получается очень толстой (и парус- тяжелым). Но для всякой направляющей  оптики, где масса не так важна, такой отражатель вполне приемлем. И если алюминий поглощает до 4% излучения (для 1 мкм волны) то "зеркала Брэгга" могут и 0.1 и 0.01%  и 0.001% поглощать (чем толще зеркало тем меньше поглощение).
Да, это много все равно при очень плотном потоке излучения. Но никто не собирается пропускать весь луч через "угольное ушко". Напротив, чем шире апертура излучателя (при монохромности и поперечной когерентности луча, разумеется) тем лучше. В любом случае подобная апертура будет синтезированной, хотя в некоторых узких местах (следящее зеркало, например) все равно придется лучь сузит. 
Но вот и прикиньте.
Если парус  погращая ~1% луча будет в термодинамическом равновесии с космосом иметь диаметр 100 км. То, скажем перенаправляющее зеркало, поглащая 0.001% будет иметь диаметр в 31 раз меньшее тоже будет в равновесии (почему объяснять не надо?). Это чуть больше 3 км.
На мой взгляд вполне ЗРИМАЯ конструкция, если учесть что по массе она не сильно и ограничена.  Хотя для 1000 км паруса, нужно будет иметь аналогичное следящее зеркало уже  31 км в диаметре. Это уже королевский размерчик.  Но 1000 км парус это для РАЗУМНЫХ существ - блажь типа межзвездной войны.

[alex_semenov]

Я вовсе не Вас персонально имел ввиду, но Вы -правы: 0,04 микры алюма не испарятся в вакууме, они не "изготовляемы" в силу свойств самого элемента (это еще "хуже" золотой сусали )
То есть моментально диффундируют при прикосновении к подложке (скажем вальцов прокатки)

Представьте себе, но РЕАЛЬНЫЕ эксперименты с пленкой алюминия в десятки нанометров ведутся уже более 40 лет! И у нас и за рубежом. И физические свойства именно таких алюминиевых пленок изучены достаточно хорошо. На них  Дрекслер, Форвард, Мэтлоф и Малов,  Лэндис,  Сприз с Зубриным, в конец концов Фрисби (это только "столпы") и опираются в своих расчетах лазерных и световых парусов.

[alex_semenov]

Вы тут не посчитали радиационные потери паруса. А то у вас получаеться парус какбудто термоизолирован.
Кстати в статье "Реальности межзвездных перелетов" описан радиационный баланс экрана на скорости 0.75 с

Да я и графики когда-то красивые строил именно для радиационного баланса щита при разной плотности среды на разных скоростях!
Там есть все (в том числе и формулы по которым считался термобаланс щита):



Цифры 10, 1, 0.1 - плотность водорода в штук на см3
Пыли ПО СУММАРНОЙ МАССЕ на пути паруса будет много меньше чем межзвездного водорода. Хотя она будет воздействовать импульсно. Но опять же, в каком виде будет выделяться эта энергия?
В общем, глупо так (через термодинамический баланс) считать воздействие пыл. Надо считать "дырки".
А для щина (именно щита!) график выше показывает, что надо бояться только всплесков плотности водорода. Пыль в любом случае именно по температуре погоды не сделает.
А что бы эрозия от микровзрывов пыле не сильно выедала щит, нужо его умно устроить (а не так как в статье, тупо поставить мишень для пыли).