Космический парусник: имеет ли он смысл?

[vsevolodson]

PolnochXU, на парус можно также повесить свинцовую броню, лошадей, ветряные мельницы и флаги разных стран.

[ВадимZero]

Кое-какие оценки сделал, в части, что касается самой начального участка релаксации (первые пикосекунды). Получилась такая зависимость доли энергии, уходящей в излучение от размера пылинки.

По идее да, чем меньше пылинка, тем быстрее падает плотность плазмы при разлете и тем меньше тормозные потери. Кроме того как я понимаю, плазма из-за такой маленькой пылинки даже при разлете остаеться сильно не равновесной(с большой электронной температурой)

Остальные 80% пойдут на разрушение паруса.

Я тут сделал, серьезную ошибку представляя релаксацию плазмоида как микровзрыв. А будет скорей так...Медленно расширяющееся облако ионов, будет своей инерцией удерживать горячие электроны, двигающиеся со скоростями порядка 0.5 с сквозь парус, передавая ему свою энергию.

Расчёт дальнейшего распределения энергии и разрушения паруса задача идейно понятная (решаем уравнение теплопроводности с учётом зависимости коэффициента теплопроводности и теплоёмкости от температуры), но требует определённых трудозатрат.

А стоит ли учитывать теплопроводность при столь быстрых процесах? Мне так понимаеться главное, это максимальная, безразрушительная теплоемкость матерьяла.

Брал E=550 эВ/нм (тормозная способность алюминия для атомов углерода при скорости последнего 0,1с). Из справочника.

Одно, но...Данная цифра верна для холодного алюминия с холодными электронами, а как будет меняться тормозные потери по мере того как электроны будут становиться горячее?

7 сут < T < 180 сут

Плохо, парус нужно срочно спасать...

[vsevolodson]

Пик Брэгга на расстоянии 50нм в алюминии для альфа-частиц получил на скорости 2 Мм/с. Это меньше, чем оценка для электронов, поэтому где-то здесь ошибка. Проникающая способность электронов всегда выше, чем у альфа-частиц, ЕМНИП.

Cогласно другому источнику: http://physics.nist.gov/PhysRefData/Star/Text/ASTAR.html
энергия должна быть 46 кЭв (или 85), что соответствует скорости 1,5 Мм/с (или 2 Мм/с). Гм. Странно.
 
http://physics.nist.gov/PhysRefData/Star/Text/PSTAR.html
для протонов критическую энергию получил 40 кЭв (или 58), что соответствует скорости 2,8 Мм/с (или 3,4)...

 

[Проходящий Кот]

Короче, у нас просто нет данных, чтобы сделать более-менее научно-технический прогноз....
а) Проскакивают ли отдельные атомы через парус или застревают там вместе с энергией;
б) Какова величина пробоин от удара пылинок;
в) Каково влияние излучения разгонного луча на отдельные атомы и пылинки
---- насколько они могут быть разогнаны вдоль трассы разгона...
 

[vsevolodson]

Короче, у нас просто нет данных, чтобы сделать более-менее научно-технический прогноз....
а) Проскакивают ли отдельные атомы через парус или застревают там вместе с энергией;
б) Какова величина пробоин от удара пылинок;
в) Каково влияние излучения разгонного луча на отдельные атомы и пылинки

Вы не поняли. Если пик Брэгга укладывается в толщину паруса, то всё плохо. Осталось найти эти критические скорости. Если парус выживает на критической скорости, то он выживает вообще при практически любой уже. Это узкое место. Ну и ещё мелочи вроде накопления положительного заряда, что рано или поздно просто разорвёт парус в клочья...

[Проходящий Кот]

По Пику Брэгга надо думать.
Что касается накопления положительного заряда, то его нейтрализацию проведет Вселенная. В ней электронов хватит.....

[vsevolodson]

Что касается накопления положительного заряда, то его нейтрализацию проведет Вселенная. В ней электронов хватит.....

Сомневаюсь. Кол-во выбиваемых электронов будет больше, чем кол-во набегающих. А за парусом на скорости 0,01С электроны вряд ли гоняться станут.

[Проходящий Кот]

Электроны будут в парус попадать с носа ---- там в веществе их хватает....

[vsevolodson]

Электроны будут в парус попадать с носа ---- там в веществе их хватает....

Нет же. Каждая пылина/атом/молекула будет выбивать куда больше электронов, чем привносить.

[Проходящий Кот]

Боюсь, что мы с вами уже перешли пределы того, что можно понять на пальцах. Дальше только эксперимент.....

[ВадимZero]

Боюсь, что мы с вами уже перешли пределы того, что можно понять на пальцах. Дальше только эксперимент.....

А чего тут понимать...Как только заряд паруса достигнет определенного уровня, не один электрон из него уже не вылетит.

[vsevolodson]

Если парус не будет разорван в клочья размером в метр раньше 

[alex_semenov]

Вон, AlexAV выдал умную мысль про электроны. Но дальше же молчит!
Почему?
Потому что дальше сам не знает, думаю…

Это не школьная задачка.

А я и не сомневаюсь в этом. Вас никто не хотел обидеть. Только подзадорить!
 
Алекс! За все время общения на двух форумах на тему МП по-настоящему ценных собеседников я встречал не более десятка. И, насколько я могу помнить, общение с вами было самым ценным.

Кое-какие оценки сделал, в части, что касается самой начального участка релаксации (первые пикосекунды). Получилась такая зависимость доли энергии, уходящей в излучение от размера пылинки.



Т.е. в среднем по спектру размеров частиц получим долю энергии уходящей в излучение около 20%. Остальные 80% пойдут на разрушение паруса.

Удивлен что такая малая доля. Тут уже говорили, хотя это и не ядерный взрыв, но процессы в чем-то похожие. Гигантская концентрация энергии в единице объема пространства. Уровня ядерного взрыва или мишени в лазерном термояде. Почему тогда световая энергия не должна преобладать?
Как всегда просьба. Показать хотя бы общую идею рассуждений. Не факт, что все (в том числе и я) что-то уловят.   Но я хотя бы знакомые буквы в ваших разъяснениях поищу.

В прошлый раз в связи с утечкой энергии из фаер-бола ядерного взрыва на НК я вас просил о том же. Вы сначала привели графики, потом дали модель. Помните? Я с ней пару вечеров разбирался когда появилось время и возгорелся интерес. Возникла масса вопросов по ней (я так и не понял энергетический баланс вашей модели). Но так как "поезд ушел" я уже их вам так и не задал. Вряд ли у вас там ошибка. Скорее всего это я лох что-то не уловил.
 
Но все равно знакомых букв там много! Уже польза

Расчёт дальнейшего распределения энергии и разрушения паруса задача идейно понятная (решаем уравнение теплопроводности с учётом зависимости коэффициента теплопроводности и теплоёмкости от температуры), но требует определённых трудозатрат. Не делал.

Гм… Вы знаете, у меня есть возражения. Нет, понятно что я предвзято тяну в "свою сторону".  Но так и должно быть. Методом половинного перетягивания на свою сторону мы может и придем к более-менее правдивой картине.
Я готов принять вашу модель выше (график). Но вот динамика процесса преобразования этой энергии в дырку, как мне кажется вами слишком упрощена.
Я готов предложить свой взгляд. "Народный". Без динамики плазмы.

Но оценку скорости разрушения паруса сделать можно. Достаточно очевидно, что большая часть этой энергии пойдёт в теплоту фазовых переходов.

Гм… Не факт. Попробую обосновать это  в своем "докладе" позже…

И тогда соответственно время жизни паруса будет около:



– плотность паруса [кг/м3];
L – теплота испарения [Дж/кг];
– плотность межзвёздной среды[м-3];
– средняя потеря энергии частицы пылинки в парусе[Дж/м];
v – скорость паруса[м/c];
– массовая доля пыли в межзвёздной среде;
A – среднее массовое число частиц пыли;
– потери на излучение.

Если взять плотность межзвёздной среды 1 см-3, массовую долю пыли 1%, частицы принять угольные, то получим 180 суток. В действительности это верхняя оценка. Материал паруса необязательно испарять, достаточно расплавить. Соответственно если в качестве L – взять теплоту плавления, то получим 7 сут. И того можно дать оценку:

7 сут < T < 180 сут

Гм…  Хотя я не стал разбирать как вы получили эту формулу, но знаете что меня смутило?
Вы тут совсем не учитываете ТОЛЩИНУ пруса. Мнея это смущает.
Вы считаете это неважным?
То есть у вас пылинка ЗАСТРЯЕТ в парусе? Как броне лобового щита?
А ведь это ДАЛЕКО НЕ ТАК!
Вообще полученное вами, похоже на то, что я считал "по-народному". Хотя я брал в 10 раз меньшую плотность среды. 0.1 см-3, а реально в нашем пузыре она вообще 0.05-0.01 см-3. Ну да ладно.
Насколько я понял этот ваш расчет считает то же что и мой. Если предположить что вся выделившаяся энергия от столкновения с пылинкой (ну не вся, а 80% роли эти проценты не играют, когда речь о порядках!) окажется энергией электронов и пойдет на разрушение паруса, то  30-и нанометровая пылинка на скорости 0.1с (как я считать) выпалит дырку диаметром аж 0.3мм, 300 мкм!!! Разумеется, в таком случае парус долго не проживет. Я ведь говоря о 1-100 св. годах, рассчитывал на отверстие 0.3-  3 мкм. Не более. В 10 000 - 1000 000 раз меньшую площадь выгорания!
Кстати, поэтому я бы не стал вот так как вы считать время жизни паруса, спрятав вопрос внутрь умной форумлы. Считать УДОБНЕЙ не время жизни. Считать надо диаметр (или площадь S) отверстия, выгорающего в результате попадания пылинки.
А время уже легко считается из:

P = n*S*L

P - доля сгоревшей поверхности паруса
, n - концентрация пыли
, L - дистанция, пройденная парусом (отсюда и время).   

От S  интересующий нас параметр (время, дистанция, процент повреждения) легко считается. Так получается более гибкий подход.

В общем, у меня есть идея одной модели... Разумеется очень умозрительной. Но надо поиграть с ней.
Как закончу - доложу.

[ВадимZero]

Ну пока Алех не появился..попробую я..

Уровня ядерного взрыва или мишени в лазерном термояде. Почему тогда световая энергия не должна преобладать?

Световая энергия не преобладает, из-за малого размера пылинки. Чем меньше пылинка, тем быстрей падает плотность плазмоида при его расширении. Ренген при релаксации плазмоида выделяеться, за счет взаимодействия электронов с ионами, тоесть торможении электронов на ионах. Поэтому чем меньше плотность плазмоида, тем хуже электроны рассеивают свою энергию на ионах.

Но вот динамика процесса преобразования этой энергии в дырку, как мне кажется вами слишком упрощена. Я готов предложить свой взгляд. "Народный". Без динамики плазмы.

Я тоже, считал народным способом, и получил 191 диаметр. Но между динамикой плазмоида и взрывом, есть большая разница. При взрыве энергия во все стороны летит, потому большая часть энергии греет космос. А вот релаксирующий плазмоид, это что то типа ионной ловушки из холодных ионов, внутри которой заперты горячие и быстрые электроны. Которые успевают тысячу раз пройти сквозь парус, пока ионное облако расширяеться. Вот потому и получаеться что существенная энергия плазмоида идет на нагрев паруса. Сдесь вроде как Алекс не учел эфект, растаскивания ионного облака быстрыми электронами, может это както спасает ситуацию(особенно при сильной перфорации)

Вы тут совсем не учитываете ТОЛЩИНУ пруса.

Думаю это и не важно, так как теплоемкость паруса, и энергия плазмоида растут пропорционально при росте толщины.

[alex_semenov]

Давайте для начала все-таки уточним ТЕОРИЮ процесса.

Если считать среднюю пылинку в 0.03 мкм или 30 нм, то получается что диаметр пылинки примерно РАВЕН толщине паруса (30-50 нм).
Мы считаем процесс столкновения пылинки с парусом неупругим ударом. То есть пылинка массой m₁, летя на скорости v и сливается с вышибаемой из паруса массой m₂ и теперь слипшаяся масса летит дальше с чуть меньшей скоростью u
Из закона сохранения импульса (считаем в системе координат паруса):



Отсюда:



Давайте условно будем считать плотность пылинки равной плотностью паруса тогда очень упрощенно если диаметр (размер) пылинки примерно равен толщине паруса то m₁ ~ m₂ и  u/v =1/2.
Я, когда первый раз грубо прикидывал - ошибся. Если скорость пылинки упала в 2 раза, то ее энергия упала в 4 раза (квадрат). Но в виде тепла выделилась не 1/4 первоначальной энергии пылинки (как я бегом оценил) а 1-1/4=3/4! В три раза больше чем я быстро прикинул.
То есть 75% энергии пылинки должны превратиться в тепло, выделиться в виде разрушающего материю хаоса. А пылинка, если она летела на скорости 0.1с удвоив свою массу (за счет вышибленной материи из паруса) дальше летит со скоростью 0.05с, сохранив только четверть своей энергии. Это - бесспорно. Это школьный закон сохранения импульса и энергии.
75% при тех коллосальных энергиях, не сильно отличается от 100%. И можно было бы этим пренебречь. Но остается открытым вопрос как эта выделившаяся энергия будет распределена между массой разжиревшей пылинки и парусом?
Я, думаю AlexAV этот нюанс упускает в своем расчете.

Давайте уточним динамику происходящего (см рисунок ниже).
Первая фаза - начальная ситуация.
Вторая - какой-то момент ТОРМОЖЕНИЯ пылинки в парусе. Время этого торможения легко посчитать, считая ускорение a равномерным, а дистанцию торможения - толщиной паруса d:



Отсюда: 

Ошибкой будет считать время торможения временем прохождения пылинкой всей толщи паруса (а именно время прохождения нас и будет  интересовать). Ибо это было бы верно, если d много больше размера пылинки. Но пылинка такого же размера (по условию) как и дистанция торможения. Поэтому когда ее центр тяжести уже закончит торможение (пройдя d) останется еще 1/2d толщины паруса, который разжиревшая пылинка проходит на скорости u, прежде чем пылинка и тело паруса НАВСЕГДА РАССТАНУТСЯ.
То есть время прохождения пылинки всей толщины паруса (время выделения и теплообмена):



Если u=1/2v, то получается 7/3 от d/v

Считаем. Начальная скорость 0.1с = 3E+7 м/с.   А толщина паруса  30 нм, 3E-8 м. Время прохождения пылинкой паруса 2,33E-15c. То есть 2.3 пентасекуныд или  0.0023 Пс
Вообще временной промежуток очень экстремальный.
Что за это время успеет произойти?
Наша интуиция тут бесполезна. Но мы можем оценить некие краевые события.

Ниже я нарисовал четыре стадии прохождения пылинкой паруса и показал на ней все ключевые параметры которые я могу оценить. На стадии 2 мы видим, что пылинка пока еще проходит через парус, скорость ее замедляется, масса увеличилась уже  и в процессе этого выделяется энергия Q = 3/4 от кинетической энергии пылинки. Разумеется, эта энергия передается телу пылинки (это показано цветом) и она же растекается по телу паруса.
Как быстро? В каком виде? Я этого не знаю. Это вопрос к AlexAV. Но я могу точно сказать, что растекаться эта энергия может не быстрее скорости света (что на рисунке 2 и показано стрелками).



Когда пылинка вышла из тела паруса через 2.3 пентасекунды, ТЕПЛООБМЕН (во всяком случае электронный) прекратился. И я на рисунке 3 я этот момент и показываю.
Что здесь важно?
Во-первых нам надо оценить какая доля энергии Q осталась в пылинке в виде Q₁ и какая доля энергии столкновения Q₂ попала в тело паруса.
Я не знаю, как это оценить. Есть сильнейшее интуитивное желание сделать это так:



То есть Q₁ ~70%, Q₂ ~ 30%
или  Q₁ ~95%, Q₂ ~ 5%
или даже Q₁ ~100%, Q₂ ~ 0,01%

Уточнить или опровергнуть эту интуицию, возможно сможет AlexAV?

Во-вторых.
Даже очень небольшой процент выделившейся энергии  попавшей на парус способен выжечь очень огромную дырку в районе попадания пылинки. И если эта энергия передается через тело паруса очень быстро, то мы можем оценить район где эта энергия растеклась за время теплообмена (скажем в виде сверхгорячих электронов). На рис 2 я показал, что растекаться эта энергия не может быстрей чем скорсть света. Значит через промежуток времени 7/3 от d/v  радиус r  зона растекания тепла Q₂ по парусу  не может быть больше:



так как v =0.1c, r ~23d

Это и показано на рисунке 3
Это та зона, которую можно ГАРАНТИРОВАННО считать испарившейся. То есть это примерно в 2 раза больше по диаметру, чем  я изначально предполагал как оптимист. И в 4 раза большая площадь (значит оптимистичные 100 св. лет сокращаются до 25).
Обратите внимание, даже если на парус попал только 0.1% выделившейся энергии, это слишком много что бы такую маленькую зону испарить. Поэтому я даже не стал считать тут ничего. Это и так ясно.
На самом деле ситуация будет еще хуже (см рисунок 4). После того как пылинка улетела дальше (и судьба ее очевидна, она превратится в плазму и быстро рассеется, излучая почти всю энергию Q₁ в виде рентгена). Но нас беспокоит судьба Q₂.
Как далеко эта энергия распространиться по телу паруса?
По сути, это и есть второй вопрос. Конечно можно считать что вся энергия пошла на разрушение (испарение) паруса. Так, насколько я понял, считал AlexAV и так считал я (как крайний случай) получая чуть ли не миллиметровое отверстие.
Но ситуация тут будет много сложнее. Даже не зная механики распространения тепла по телу паруса, я вот что сразу заметил.

Энергия оставшаяся в парусе имеет два пути сбежать из начальной зоны выделения.
Первый путь - продолжать растекаться по парусу, допустим со скоростью света (сверхгорячие электроны). Чем больший радиус R будет захвачен этими электронами, тем большая площадь S₁ для побега у таких электронов становится. Это ведь боковая поверхность цилиндра радиусом R и высотой d:



Но по мере роста R возрастает и поверхность двух торцов этого же цилиндра S₂:



через которую энергия попавшая на парус может убегать через всякое излучение (в том числе и тепловое). И отношение этих площадей:



То есть, уже при R= 23d, полагая, что возможности для побега тепла одинаковы (что в тело паруса, что через излучение в вакуум) излучением через торцы (что нам очень выгодно) убегает в 23 раза больше энергии чем через стенки цилиндра. При R=100d соответственно только 1% энергии продолжает растекаться по парусу, а вся остальная излучается возросшей зоной поражения (которая, разумеется через наносекунды начнет разлетаться как испарившаяся материя или даже плазма, образовывая ту самую "дырку").
Хотя я пока не строил никаких моделей. Есть желание построить пошаговую модель предположив что поверхности излучают через Стефана-Больцмана что возможно делать и нельзя, а электроны разбегаются со скоростью света, что возможно и преувеличение. Возможно расчет покажет что все равно, радиус будет слишком большой. Тогда, видимо приодеться смириться с неизбежным.

Никаких аргументов против приговора сплошному незащищаемому парусу нет.
Но у меня есть надежда, что даже при попадании в парус 30% энергии, она скорей всего не успеет разбежаться на большой R.

Пока я буду пробовать играть с этой вычислительной моделью, готов принять критику и замечания.

[ВадимZero]

То есть 75% энергии пылинки должны превратиться в тепло, выделиться в виде разрушающего материю хаоса. А пылинка, если она летела на скорости 0.1с удвоив свою массу (за счет вышибленной материи из паруса) дальше летит со скоростью 0.05с, сохранив только четверть своей энергии. Это - бесспорно. Это школьный закон сохранения импульса и энергии.

Видите в чем дело, если у вас плазмоид приобретет тот импульс который вы ожидаете, то все ваш парус спасен. Даже при энергии ионов 20 кэв, их скорость находиться в районе 0.01с. Тоесть горячая плазма, при таком передаче импульса добраться до паруса просто не успеет. Алекс же в своих расчетах берет как факт что не какой передачи импульсов не будет. Я сам на этом моменте пытался ставить акцент, но Алекс не ответил. Конечно какойто минимальный импульс передан будет, но вот какой? Это задачка не их школьной физики.
 Тоесть не какого вышибания материи из паруса не будет при таких энергиях, будет просто разогрев электронов.

[ВадимZero]

Попробую прикинуть передачу импульса...Начнем сначала, столкновение пылинки с парусом можно расматривать как столкновение двух сгустков частиц. При этом ионы пылинки, разогревают электроны паруса до энерги 20 кэв. При этом ионы пылинки летят прямолинейно, значит по закону сохранения энергии ионы пылинки должны замедлиться, на величину отданной энергии! Поэтому передача импульса есть! С другой стороны ионы паруса так же разогревают электроны пылинки, а значит так же ускоряються на величину равную разогреву пылинки, допустим до 10 кэв. Но при этом относительно друг друга они остаються холодными! а значит удерживают горячие электроны от контакта с парусом. Тоесть плазмоид удаляеться от паруса быстрее чем, он расширяеться....Все, парус спасен!(от пылинок)...Остаеться только ренген.

[alex_semenov]

Тоесть не какого вышибания материи из паруса не будет при таких энергиях, будет просто разогрев электронов.

ЭТО ШУТКА?
 
Сохраняется не только энергия. Сохраняется и ИМПУЛЬС. Он не может никуда взять вот так и рассосаться.
Я могу не понимать тонкие детали связанные с физикой плазмы.
Но я "слепой, а не тупой!" (с)
Я специально нарисовал только то, в чем НЕ МОЖЕТ БЫТЬ НИ ТЕНИ СОМНЕНИЯ!
Будет то, что я нарисовал!
Или я сожру учебник школьной физики за 8-й класс (свой 8-й)!
Иначе у меня нет целостной картины физической реальности!!!
 
Конечно, импульс  может передаться ВСЕМУ ПАРУСУ, притормозив его. Но КАК это может случиться при такой ЧУДОВИЩНОЙ концентрации импульса?
Даже пуля-дура (которая имеет просто детский импульс по сравнению с нашим!) пробивает свиную тушу на порядки толще ее, не шелохнув ее (смотрел как-то в "разрушителях легенд"). То есть не передав ей сколько-нибудь заметного импульса, чтобы та слетела с крючка!!!
А здесь этот эффект будет 10 000 ЯРЧЕ.
Плотность материала пули тут - никаким боком.
Мы в армии из АК-74 (очень мощный патрон для легкой пули) стреляли фильтром от сигареты. Вынимали пулю, вставляли фильтр от "ТУ-134" (без бумажной оболочки!!!), аккуратно вставляли в затвор и стреляли в стену. Фильтр (вата!) пробивала с 2 метров 5-и миллиметровую фанеру бани в караулке!!!
Это я их подбил проверить теорию. Фокус стал хитом сезона! У "азеров" глаза были по пять копеек! Мол, шайтан этот итсо-шник!

Проще говоря. Либо вы недопоняли AlexAV, либо я скорей поверю в машину времени и мгновенные перемещения в пространстве, чем в то, что импульс пули-пылинки на 0.1с возьмет и в 30 нм рассосется. Что лист бумаги остановит (БУКВАЛЬНО) пулу из АК47!!!
МАРАЗМ!
Я скорей поверю, что пылинка просто пройдет насквозь, ВООБЩЕ НЕ РАСТРАТИВ ЭНЕРГИЮ, телепортируется, что ее атомы просочатся между атомами паруса, ибо природе, с ее странными квантовыми эффектами, будет так проще сохранить состояние вселенной (некий обобщенный принцип инерции), чем в то что вы сказали.
Я серьезно! Я не шучу!
Если вы так далеко зашли в теоретизировании тут, то вы точно зашли не туда!
 

[ВадимZero]

ЭТО ШУТКА?

Это Алекс утверждает, не я. Я как раз коментом выше говорю обратное.

[alex_semenov]

Конечно какойто минимальный импульс передан будет, но вот какой? Это задачка не их школьной физики.

Не смешите мои тапочки! Это задача из ШКОЛЬНОЙ ФИЗИКИ!
В этом сила научного миррозвоззрения!
Любая супер-физика строго "подчиняется" "школьной".
Физика плазмы - тем более.
Хотя там есть квантовые эффекты (разумеется!).  Но посмотрите все работы по физике плазмы. Это на 99.9% "школьная физика" и ничего больше! То есть классическая физики Ньютона.
И скорей AlexAV съест свой диплом физика, чем согласиться с вами! Ну разве что пересчитать это все по Эйнштейну? Но на 0.1с это изменит что-то в 3-м знаке после запятой. Уж я то знаю! Считал и оценивал погрешности ни раз.