Космический парусник: имеет ли он смысл?

[alex_semenov]

Значит так.
Привожу свои игры с цифрами.
Следите за руками.
Могу и напортачить!
Наша задача номер 1 научиться считать плотность микрометеоритов.
Для этого нам нужны:

Концентрация межзвездного водорода n_h. Она может меняться от 1 см^-3 до 0.01 см^-3
10 см^-3, всплывающие у Джонса (как не понял) явно завышенный показатель. В нашем местном пузыре мы имеем 0.01. Но я возьму в 10 раз большую 0.1 см^-3.

Далее, везде указывается, что масса межзвездной пыли составляет порядка 1% (k) от массы межзвездного газа. Значит, мы можем вычислить удельную массу (кг/см³) пыли в межзвездной среде M.
Для этого нам понадобится масса протона или атома водорода  m_p = 1,67E-27 кг. И я получаю:

M=k*n_h*m_p = 0.01*0.1*1,67E-27 = 1,67E-30 кг/см3

Теперь, нам надо грамотно поделить эту массу на пылинки и получим уже штук в см³.
Идея ясна?
Что представляет собой наша УСРЕДНЕННАЯ пылинка?



Источники утверждают, что это частица диаметром от 0,01 до 0.2 мкм сложного состава (который мы должны усреднить).
Прежде всего. Примем средний диаметр близким к минимальному. Скажем 0,03 микрона.
Считая частичку круглой (хотя разумней было бы считать ее кубом) высчитаем ее объем

V=4*пи()*R^3/3 = 4*пи()* (1,5E-5)^3/3 = 1,41E-14 см3

Теперь что бы вычислить массу этой средней частички нам нужна средняя плотность.
Хотя можно было бы взять плотность углерода или кремния (2.25, 2.33 г/см³), я предлагаю взять плотность воды 1 г/см³. Что бы не ошибиться.
Тогда масс одной пылинки 

1,41E-14 *0,001 = 1,41E-17 кг.

Теперь делим массу пыли в одном куб сантиметре на массу пылинки  и получаем концентрацию пылинок:

1,18E-13 см^-3

Мы вышли почти на данные Джонса (но как он это насчитал из плотности водорода в 100 раз большей - не понятно).

Следующая задача.

Пробуем считать гибель паруса, используя методику Джонса.
Методика проста.
Вероятность уничтожения некой цели площадью S (у Джонса перемычки сетки) равна:

P = n*S*D

Где P - вероятность (она же доля уничтоженной поверхности паруса). S- по сути сечение реакции. Ведь мы считаем микрометеорит идеальной точкой, которая попадает в некоторую площадь сечения S. D - дистанция на которой все это безобразие с парусом случается. Парус просеевает своей площаюдь цилиндт где и натыкается на пыль.

D возьмем 1 св. год (для начала) = 9,4608E+17 см (все считаем в сантиметрах! Отход от хорошей традиции!).
От этой дистанции легко будет перейти и к 0.1 св.году и к 10 св. годам.

Что делать с S? Джонс считал поражение перемычки радиопаруса. Как от этого перейти к парусу сплошному?
Очень просто. Мы будем считать число дырок в СПЛОШНОМ парусе (как технологически самом примитивном) площадь которых будем считать от димаметра взятой нами пылинки умноженный на коэффициент разрушения.
Пылинка у нас   0.03 микрона или 0,00003 см.

Мидель пылинки 7,0E-10 см².

Я изначально настаивал, что парус настолько тонкий, что пылинка пройдет через него оставив в нем отверстие, равное ее диаметру. Тогда бы S у нас и было бы 7,0E-10 см². Но AlexAV убедил меня что процессы в дырке будут интереснее. Он так и не дал мне оценку во сколько раз дырка будет больше самой пылинки. Давайте возьмем в 10 раз (сдается мне что это тоже слишком много! Более чем много).  То есть площадь поражения в 100 раз больше:

S= 7,0E-8  см²

Все. Считаем вероятность, вернее ДОЛЮ продырявленной пылью поверхности паруса (я бы сказал перфорации паруса).

P = 1,18E-13 * 7,0E-8 *  9,4608E+17 =0,00781

0.8%, меньше процента поверхности паруса будет потеряно на дистанции 1 св год!
На 10 св. годах, он, разумеется, полностью истлеет. 78% - это фатально!
Блин, ошибся. На 10 св. годах ничего фатального. 7.8%. Да, парус уже не новый. Но все равно держит же!

Если же принять мою гипотезу, что отверстие в парусе будет соизмеримыми с диаметром пыли, то парус (при всех принятых допущениях) потеряет до 1% своей поверхности только на дистанции 100 св. лет.
Но концентрацию пыли мы считали от плотности водорода 0.1, а в нашем пузыре она в 10 раз меньше. То есть процент повреждений тогда вообще становится ничтожным.

Я думаю где-то так Фрисби в работе 2004-го года и считал (я пробежался галопом по Европам, оставив разборки с деталями на потом). Я помню что у Фрисби после расчетов и был озвучен вывод, что проблема эрозии раскрытого паруса во время межзвездного перелета (не то что во время разгона). . .
 
НЕ СТОИТ И ВЫЕДЕННОГО ЯЙЦА!

Вопросы?
Комментарии, господа?

[alex_semenov]

Что надо добавить справедливости рази?

Если наша средняя пылинка 0.03 микрона, то это 30 нм. То есть, размер пылинки соизмерим с толщиной паруса. Поэтому пройти насквозь не заметив парус у нее не получится. Из закона сохранения импульса, мы получаем что пылинка потеряет половину скорости и значит четверть своей энергии.
Это сколько? Масса пылинки 1,41E-17 кг. На скорости 0.1с ее энергия 6,35E-03 Дж. Четвертая часть (что выделится) 1,59E-03 Дж. Если взять теплоту испарения алюминия (остальные затраты несущественны) и предположить что вся выделившаяся энергия пошла на испарение алюминия а потом высчитать испаренный этой энергией алюминий паруса и из него посчитать площадь, то мы получаем дырку более половины миллиметра. 667 мкм. Это по диаметру в 22 000 раз больше чем пылинка. По площади дырка получается в 500 000 000 больше. А я предположил что она всего в 100 раз больше чем площадь миделя пылинки.
Но я очень сомневаюсь, что заметная часть энергии пойдет на разрушение именно паруса. Будет вспышка излучения. Очень жесткого, которое практически все уйдет в космос. Хотя…  Что бы разрушение было соизмеримо с принятыми мной, в парусе должна задержаться только 5 000 000 часть всей выделившейся энергии.
Гм… Как бы оценить это?

[Прохожий]

Уведет с собой те атомы алюминия, что попадутся по дороге --- дырка и никакой вспышки. Достаточно разорвать связи ближайших атомов. Да и вспомните удар молота по атмосфере.....

[alex_semenov]

Уведет с собой те атомы алюминия, что попадутся по дороге --- дырка и никакой вспышки. Достаточно разорвать связи ближайших атомов. Да и вспомните удар молота по атмосфере.....

Да  там не все так просто... Жаль AlexAV отмалчивается...

[Прохожий]

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...

Ну сами же решили проблему, чего опять сомневаться?

[Кремальера]

Если же принять мою гипотезу, что отверстие в парусе будет соизмеримыми с диаметром пыли, то парус (при всех принятых допущениях) потеряет до 1% своей поверхности только на дистанции 100 св. лет.

Я в вас верил.И весь еще не существующий звездолетный флот,тоже.Уметь бы мне так считать. :'(Учитывая то что разгонятся мы бум далеко не всю дорогу,то к ближайшим звездам мы попадаем уже практически сейчас.Что не может не радовать.За исключением конечно проблемы проклятого излучателя.

Я думаю где-то так Фрисби в работе 2004-го года и считал (я пробежался галопом по Европам, оставив разборки с деталями на потом). Я помню что у Фрисби после расчетов и был озвучен вывод, что проблема эрозии раскрытого паруса во время межзвездного перелета (не то что во время разгона). . .

Вот именно.Я тоже его не дочитал.Но разгон его совершенно не смущает.Его статья -это новейший сверхдредноут-супераргумент звездолетчиков,жаль что она совсем не большая.Но в конце статейки помнится,хитрец Фрисби дает все равно куцее и лукавое объяснее сему факту ,ссылку на частичный интерес к его  докладу у Rand Corporation.Эти взращиватели Фукуямы,явно держат туз в рукаве.Надо пойти проветрить стухший сайт 100YSS-может чего интересное выложат.

[ВадимZero]

Но AlexAV убедил меня что процессы в дырке будут интереснее. Он так и не дал мне оценку во сколько раз дырка будет больше самой пылинки. Давайте возьмем в 10 раз (сдается мне что это тоже слишком много! Более чем много).  То есть площадь поражения в 100 раз больше:

Давайте вернемся к цифрам AlexAV

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.

При тормозных потерях в основном ионы передают энергию электронам. Тоесть ионы пылинки, передают энергию электронам паруса. И наоборот ионы паруса разогревают электроны пылинки.
Что у нас получаеться? При этом правильнее считать, не толщину паруса а толщину пылинки, так как ионы пылинки тормозяться на электронах паруса. Так при 550эв/нм и при толщине пылинки в 500нм, получаеться 275кэв! Это локальный ядерный взрыв.

[Прохожий]

Может быть. Только скорость реагентов его друг относительно друга настолько велика, что она сама их растаскивает по Вселенной....

[Kochelev]

Жителю скоморошей горы для начала могу только посоветовать не применять в научно-технической теме терминологию митингов, потому что это --- отрицательный аргумент

Прохожему рекомендую воздержаться от неуместных (в научно-технической теме) - советов.
Заодно переведите на русский язык (если Вы способны на то) жупел: "не задавать вопросы, которые уже констатировал", мне очень интересно, что это за действо такое "констатировать вопросы"? 

[Прохожий]

Жителю скоморошей горы для начала могу только посоветовать не применять в научно-технической теме терминологию митингов, потому что это --- отрицательный аргумент

Прохожему рекомендую воздержаться от неуместных (в научно-технической теме) - советов.
Заодно переведите на русский язык (если Вы способны на то) жупел: "не задавать вопросы, которые уже констатировал", мне очень интересно, что это за действо такое "констатировать вопросы"? 

Третий закон физики действителен и при общении. А по поводу констатирования вопроса надо не глупости говорить, а читать информацию в месте ссылки. Если конечно, нимб не мешает.....

[Kochelev]

Третий закон физики действителен и при общении. А по поводу констатирования вопроса надо не глупости говорить, а читать информацию в месте ссылки. Если конечно, нимб не мешает.....

Полный слив - засчитан. Пока без минуса.

[Прохожий]

Третий закон физики действителен и при общении. А по поводу констатирования вопроса надо не глупости говорить, а читать информацию в месте ссылки. Если конечно, нимб не мешает.....

Полный слив - засчитан. Пока без минуса.

Тема про парус, а не про твоё Я. Кто такой СЛИВ и что ему засчитано, мне тоже до лампочки...

[Kochelev]

Тема про парус

Вот и следуйте теме, а не "лампочке"

[Прохожий]

Тема про парус

Вот и следуйте теме, а не "лампочке"

Взаимно....

[vika vorobyeva]

Народ, заканчивайте, а?

[ВадимZero]

Народ, заканчивайте, а?

Действительно...Для этого же есть "ВКонтакте..."

[vsevolodson]

Но если плотность окажется в 10-100 раз ниже - пыль при разгоне гарантированно непочем!

Стоп.
1) Пока ещё неясен характер взаимодействия пыли с парусом, конечный вариант времени разгона и макс. скорости. Вы не можете всё ещё этого утверждать.
2) Межзвёздная среда тут вообще не причём, ясно, что парус будет разгоняться в пределах гелиопаузы.
3) Не причём здесь также и сетка, так как не показано, что сетка будет таким же хорошим радиатором, как и сплошной парус. Не показано также как делать 10²⁴ дырок. Посему, выводы ваши слишком натянуты оптимизмом.
4) Оценка 4% "металлов" в межзвёздной среде не даёт верхнего предела на пространственную плотность пыли. Так как пыль содержит также и водород. Это следует также из вашей картинки ниже.

А какая разница в данном случае? Он все равно проходит сквозь парус не заметив его сопротивление и делает свое грязное дело. Чпок! И дырка!

На низких скоростях и под произвольными углами, это, как раз таки не так. Пространство для разгона до гелиопаузы хорошо тем, что мало газа, но плохо тем, что много пыли. Ведь пыль в СС постоянно генерится.

Что представляет собой наша УСРЕДНЕННАЯ пылинка?

Я думаю здесь ошибка. Вы считаете пространственную плотность исходя из средней пылинки. А дисперсия будет слишком велика, да и зависимость нелинейная. Ошибка может достигнуть 1-2 порядков.

Комментарии, господа?

В целом - неплохо. Наконец-то мне удалось хоть кого-то из любителей парусов заставить рассчитать хоть что-то.

Масса пылинки 1,41E-17 кг. На скорости 0.1с ее энергия 6,35E-03 Дж. Четвертая часть (что выделится) 1,59E-03 Дж. Если взять теплоту испарения алюминия (остальные затраты несущественны) и предположить что вся выделившаяся энергия пошла на испарение алюминия а потом высчитать испаренный этой энергией алюминий паруса и из него посчитать площадь, то мы получаем дырку более половины миллиметра. 667 мкм. Это по диаметру в 22 000 раз больше чем пылинка. По площади дырка получается в 500 000 000 больше. А я предположил что она всего в 100 раз больше чем площадь миделя пылинки.

Интересный момент. Вот и получили верхний и нижний пределы для оценки разрушения пылинкой. Истина будет где-то между...

При тормозных потерях в основном ионы передают энергию электронам. Тоесть ионы пылинки, передают энергию электронам паруса. И наоборот ионы паруса разогревают электроны пылинки.

Электроны пыли и паруса тоже расталкивать будут друг друга. И я думаю, что этот эффект будет решающим.

Может быть. Только скорость реагентов его друг относительно друга настолько велика, что она сама их растаскивает по Вселенной....

Скорость распространения э/м-колебаний вдоль паруса будет равна скорости света и будет всё равно выше.

[ВадимZero]

Электроны пыли и паруса тоже расталкивать будут друг друга.

Одноименные заряды, плохо передают энергию друг другу....

И я думаю, что этот эффект будет решающим.

Тут думать мало, тут нужно знать. Я вот тоже думал что электроны будут полностью релаксировать на парусе, а аказалось нет, (полазал по ссылкам)для полной релаксации нужна микронная толщина паруса

[Прохожий]

Итак, всё сосредотачивается у вопроса --- сколько энергии столкновения перейдет в парус.....

[alex_semenov]

Вот именно.Я тоже его не дочитал.Но разгон его совершенно не смущает.Его статья -это новейший сверхдредноут-супераргумент звездолетчиков,жаль что она совсем не большая.Но в конце статейки помнится,хитрец Фрисби дает все равно куцее и лукавое объяснее сему факту ,ссылку на частичный интерес к его  докладу у Rand Corporation.Эти взращиватели Фукуямы,явно держат туз в рукаве.Надо пойти проветрить стухший сайт 100YSS-может чего интересное выложат.

Я не понял о чем вы. Я имел в виду вот эту работу:

AIAA 2004-3567 Robert H. Frisbee
Beamed-Momentum LightSails for Interstellar Missions:
Mission Applications and Technology Requirements

Высылаю всем желающим. Работа 2004-го года и насколько я знаю последнее глубокое исследование темы лазерного паруса. Да, появлялись и после этого работы, но не такие глубокие.
Кстати, в этой работе указан ряд проблем лазерного паруса, которые до Фрисби никто не поднимал.