Космический парусник: имеет ли он смысл?

[vsevolodson]

Я считаю, что вся энергия успевает превратиться в тепло (электроны разбегающиеся вокруг), которое парус, естественно легко сольет.

1) Электроны либо покидают парус, либо быстро вязнут в нём, так как пробег их очень мал.
2) Тепло сливается легко и быстро при высоких Т, превосходящих Т плавления алюминя.
Т.е. получается, что парус либо испаряется, либо заряжается положительно. На самом деле будет и то, и другое.

[alex_semenov]

Внимание, вопрос - почему? Вы так и не пояснили этот момент. Согласно AlexAV пылинка на такой скорости представляет собой лишь поток ионов и электронов. Так же как при попадании кумулятивного снаряда прочность брони значения не имеет, имеет значение лишь соотношение плотностей.

Да потому что все частицы попадут в разные места см2 и в разное время. По нашим меркам 1 секунда - это целая вечность по сравнению с 10^-15! А см2 это целая бесконечность по сравнению с 900 нм2 лба пылинки!
Ну как вы это не можете понять?
Поэтому, хотя энергии газ несет в 100 раз больше (мы ведь считаем что масса пыли 1% от массы газа), это никакой особой роли играть не будет, ибо принесенная этим газом энергия рассредоточена в пространстве и времени и серьезной проблемы не создаст.

[vsevolodson]

Поэтому, хотя энергии газ несет в 100 раз больше (мы ведь считаем что масса пыли 1% от массы газа), это никакой особой роли играть не будет, ибо принесенная этим газом энергия рассредоточена в пространстве и времени и серьезной проблемы не создаст.

Как раз таки водородины и гелины будут создавать кратеры на пике Брэгга. И никак они не размазываются. Вы можете водородины и гелины рассматривать как те же пылинки, только меньшего размера.

[alex_semenov]

1) Электроны либо покидают парус, либо быстро вязнут в нём, так как пробег их очень мал.
2) Тепло сливается легко и быстро при высоких Т, превосходящих Т плавления алюминя.
Т.е. получается, что парус либо испаряется, либо заряжается положительно. На самом деле будет и то, и другое.

Ерунда. Не верю. Докажите расчетом! Что вы тут сказки рассказываете?  Я выше насчитал что если вся энергия останется в зоне "взрыва" 0.1с протона получится пузырек пара в 10-ю от толщины паруса! Но ведь это - бредятина! Прежде чем все связи разнушаться, прежде чем этот пузырек образуется элекроны 10 раз успеют сбегать до края паруса и обратно пока ваши ионы разрушаться и испарятья! То есть энергия миллион раз успеет рассеятся на огромный объем а оттуда потихоньку слиться через Стефана-Больцмана в вакуум!
В общем, не мутите воду!
Есть теория? Расчет? Показывайте!

[alex_semenov]

Вы можете водородины и гелины рассматривать как те же пылинки, только меньшего размера.

Я уже рассмотрел их именно так.
Вопросы?

[vsevolodson]

Ерунда. Не верю. Докажите расчетом!

Вы ещё рассчётом выживаемость паруса при разгоне толком не доказали

[vsevolodson]

Прежде чем все связи разнушаться, прежде чем этот пузырек образуется элекроны 10 раз успеют сбегать до края паруса и обратно пока ваши ионы разрушаться и испарятья! То есть энергия миллион раз успеет рассеятся на огромный объем а оттуда потихоньку слиться через Стефана-Больцмана в вакуум!

Электроны далеко не улетят. Чего здесь непонятного? Пробег электрона в алюминии на 1-1000 кэв не видели чтоли?
Вот: http://physics.nist.gov/PhysRefData/Star/Text/ESTAR.html

Я уже рассмотрел их именно так.
Вопросы?

Тогда почему вы продолжаете повторять мантру о том, что "газ будет лишь греть парус так размазанно"?

[alex_semenov]

Электроны далеко не улетят. Чего здесь непонятного? Пробег электрона в алюминии на 1-1000 кэв не видели чтоли?

Да причем тут пробег конкретного электрона? Речь ведь о теплопередаче! О рассеивании энергии по телу паруса!

Тогда почему вы продолжаете повторять мантру о том, что "газ будет лишь греть парус так размазанно"?

А как он еще сможет это парус разрушить? Ну как вы можете имея энергию 0.7 Ват на м2 разрушить этот метр квадратный? Только если вы всю эту энергию сосредоточите в какой-то очень маленькой точке этого метра квадратного. Создадите эффект игоглки.
Что пылинка и делает!
Хотя поток пылин имеют энергию еще меньше, примерно 0.007 Вт/м2. Но площадь поражения у них куда меньше! Они сразу приносят много энергии в определенное место за 10^-15 c и сверхгорячих электронов там становится очень много. Им некуда разбегаться. И начинаются чудеса с выгаранием огромных дырок.

[vsevolodson]

Да причем тут пробег конкретного электрона? Речь ведь о теплопередаче! О рассеивании энергии по телу паруса!

Теплопередача при Т меньше Т испарения алюминия вообще будет пренебрежимо мала на таких малых промежутках времени.

Ну как вы можете имея энергию 0.7 Ват на м2 разрушить этот метр квадратный?

Испаряя по кубическим нанометрам, за конечное время парус может сильно деградировать или вовсе растаять. Чего тут непонятного? Ватты на кв. метр вообще не важны. Проникающая радиация даже не нагревает обычно предметы, однако от неё рано или поздно рассыпаются резина, стекло, металл, люди и вовсе дохнут быстро. Ватты на метр кв. радиации, которые выводят из строя электронику, всё живое и вызывают эрозию материалов, незначительны обычно.

Что пылинка и делает!

Ага, а атом не делает, значит. Удельная энергия атомов и пылинок будет одинакова, такто.

[vsevolodson]

Прежде чем парус перераспределит тепло от попадания атома/молекулы/пылинки, всё что сможет испариться, уже испарится. На тепло останутся жалкие количества от первоначально выделившейся энергии, потому что теплопередача куда медленней, чем испарение горячего алюминия. Энергия пойдёт по наиболее быстрому каналу рассеивания преимущественно. Стефану с Больцманом достанутся также лишь жалкие остатки энергии, потому что горячий алюминий будет куда быстрее сливать энергию испарением, чем излучением (или теплопроводностью).

[AlexAV]

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

Хорошо. Давайте разберёмся с импульсом. Конечно, неупругая передача энергии неотделима от передачи импульса, законы сохранения никто не отменял. Но надо учитывать, что пылинка передаёт парусу лишь малую часть своей энергии. При темпах торможения 550 эВ/нм каждый ион углерода даже в парусе толщиной в 1 мкм отдаст только 550 кэВ из своих 56 МэВ, т.е. только около 1%. Ни о каком слипании здесь и речи не идёт. Ионы пылинки будут проскакивать через парус, лишь слегка притормаживаясь (другой вопрос, что даже это “слегка” – океан энергии). Учитывая это и очевидное соотношение



можно вычислить скорость, полученную участком паруса в результате неупругой передачи импульса от пылинки.



где V₀ – скорость пылинки, E – средние темпы торможения ионов пылинки в парусе, d – характерный размер пылинки, n_d –  концентрация атомов в пылинке, n_Al - концентрация атомов в парусе, m_Al - масса атома материала паруса.

Если всё подставим, то получим для пылинки диаметром 50нм приращение скорости – 6,1 км/с, для пикосекундных времён – не очень много. Если построить зависимость максимального смещения вещества паруса в результате импульса отдачи за время, требуемое для передачи 90% энергии окружающему металлу, то получится такая зависимость.



Как видите, унос вещества в результате отдачи для пылинок меньше 100 нм не играет никакой роли. (Но вот скажем для субмикронных пылинок (~ 1000 нм) и более это действительно будет играть определяющую роль.)

Вообще, похоже, самая разрушительная фракция пыли лежит где-то от 1 до 100 нм. Они имеют уже достаточную энергию, чтобы произвести значительные повреждения, но всё еще создаёт слишком низкую плотность энергии, чтобы её как-то сбрасывать в пространство, а не в металл паруса.

Первый путь - продолжать растекаться по парусу, допустим со скоростью света (сверхгорячие электроны).

На самом деле конечно намного медленнее. Скорость распространения теплового фронта в этом случае будет ограничиваться условием квазинейтральности плазмы. При контакте с металлом это даёт скорость порядка скорости Ферми электронов в нём (~ 1Мм/с).

[AlexAV]

Он вроде как неявно говорит, о том что ионы не куда не двигаються. Хотя может это и не важно, если горячие электроны успеют перебраться в парус. По идее должны. Длинна пробега 50 кэв электрона, в районе 20 микрон. У нас электроны похолодней, пусть будет 10 микрон. Тогда релаксация горячих электронов пройдет в кружке диаметром в 10 микрон, а дальше уже обычная теплопроводность.

Кстати, не будет там 50кэВ. При расчёте температуры необходимо учитывать вклад ионизации в теплоёмкость. В результате получится такая зависимость начальной температуры от диаметра частицы.

Последние расчеты показывают также возможности экрана для звездолета.   Чем он тоньше, тем лучше!!!!

Кстати да, экран из тонкой фольги перед кораблём будет неплохой защитой от пылинок. Конечно, он будет изнашиваться, но потеря массы такого экрана со временем будет намного меньше, чем у массивного щита. Причём, действительно, чем тоньше, тем лучше.

[AlexAV]

Как раз таки водородины и гелины будут создавать кратеры на пике Брэгга.

Да не будут они давать никаких кратеров.

Темпы торможения протонов и ионов гелия в области пика Брэгга 119 и 357 эВ/нм. В действительности это энерговыделение не точечное. При прохождении иона рождаются горячие электроны и плазмоны, которые релаксируют далеко не мгновенно. Характерную их пробега можно оценить как эффективную длину пробега электронов в металле, т.е. порядка 10 нм. Т.е плотность энерговыделения окажется не более 1 и 3 эВ/нм3 соответственно (это даже не говоря о том, что эта энергия будет исходно у электронного газа, а электрон- фононная релаксация процесс далеко не мгновенный). Этого не хватит даже на то, чтобы расплавить решётку, не то чтобы что-нибудь испарить.

Конечно, протоны далеко не безобидны. Порождаемые ими высокоэнергетические возбуждения будут создавать дефекты решётки. Но для горячего металла это не имеет никакого значения. Эти дефекты не равновесны и будут достаточно быстро релаксировать.

Другой вопрос, что протонная бомбардировка ограничивает выбор материалов паруса. Если для горячих металлов она не опасна. То полимерные материалы или, скажем, какая-нибудь экзотика вроде нанотрубок будут быстро разваливаться. Да и устойчивость углеволокна под большим вопросом.

[ВадимZero]

Если всё подставим, то получим для пылинки диаметром 50нм приращение скорости – 6,1 км/с

Чето както маловато будет. Если каждый ион паруса пролетает, сквозь тело пылинки оставит там 500эв/нм...что в итоге будет для пылинки 20Нм, 20 кэв. Даже если 50%этой энергии сольеться в ренген, то остальные 10кэв, это прирощение скорости для иона алюминия. Тоесть 610 км/с.

Конечно, протоны далеко не безобидны. Порождаемые ими высокоэнергетические возбуждения будут создавать дефекты решётки. Но для горячего металла это не имеет никакого значения. Эти дефекты не равновесны и будут достаточно быстро релаксировать.

Бомбардировка, может быть весьма опасна для строп. Веть это скорей всего будут нанотрубки, монокристалические волокна.

AlexAV, так и не ответили...Как изменяються тормозные потери в матерьяле по мере того как растет энергия электронов?

[AlexAV]

AlexAV, так и не ответили...Как изменяються тормозные потери в матерьяле по мере того как растет энергия электронов?

Здесь работают два фактора, с одной стороны идёт ионизация электронов с низко лежащих уровней, что увеличивает тормазные потери, а с другой происходит уменьшение доли медленных электронов, в результате чего они падают. В итоге вероятно до 1-2кэВ тормозные потери будут расти, а дальше уменьшаться. Количественно – надо считать.

Бомбардировка, может быть весьма опасна для строп. Веть это скорей всего будут нанотрубки, монокристалические волокна.

Сомневаюсь я в каких-либо перспективах нанотрубок и усов в парусе. Нанотрубки – это сильнонеравновесное состояние углерода и при облучении они будут трансформироваться в равновесное (графит), т.е. сажу. А уникальные механические свойства усов обусловлены малой концентрацией дефектов, которая по понятным причинам сохранится в условиях паруса недолго.

Скорее придётся обходится только металлической проволокой.

[ВадимZero]

Скорее придётся обходится только металлической проволокой.

Проволока, даже очень хорошая...быстро рветься под собственной тяжестью. Потому большого парусника из проволоки не сделать.

[alex_semenov]

Ионы пылинки будут проскакивать через парус, лишь слегка притормаживаясь (другой вопрос, что даже это “слегка” – океан энергии).

То есть, пылинка фактически ПРОСАЧИВАЕТСЯ сквозь парус?
 
 

Если всё подставим, то получим для пылинки диаметром 50нм приращение скорости – 6,1 км/с,

То есть она теряе просто ничтожную часть своей энергии? Мы говорим о скорости в 0.1с, надеюсь? Ведь в моем допотопном расчете из учебника физики за 8-й класс, она теряла ровно половину свей энергии. Это (в уме на глаз) в 50 000 000 (квадрат отношениq дельта-v) раз меньше чем я предполагал! Если так - отрадное известие!

Как видите, унос вещества в результате отдачи для пылинок меньше 100 нм не играет никакой роли. (Но вот скажем для субмикронных пылинок (~ 1000 нм) и более это действительно будет играть определяющую роль.)

Я догадываюсь почему. Более жирной пылинке тяжелее просочиться сквозь тонкую преграду. И она будет уносить больше. Тормозиться больше и значит теряется энергии куда больше.
Но крупные пылинки, возможно, не так страшны в общем балансе ибо плотность крупных пылинок будет СИЛЬНО меньше (там кажется гиперболическая зависимость или что-то около того. У Корзникова есть методика оценки). И даже если они делают очень большие дырки, не думаю, что это сильно повлияет на баланс повреждений ибо таких дырок будет очень мало.
Основная масса межзвездной пыли по всем данным в сети 0.01-0.2 мкм.  При этом 0.01 мкм куда больше чем 0.2 мкм. Где-то так.

Кстати, уточните. Нигде в ваших уравнениях не фигурирует толщина самого паруса. Я так понял она унтера уже в параметре E? Это же не энергия, а потеря энергии ионом на дистанции 1 мкм? То есть вы везде предполагается толщину паруса в 1 мкм?

При контакте с металлом это даёт скорость порядка скорости Ферми электронов в нём (~ 1Мм/с).

То есть и здесь картинка, насколько я понимаю намного отрадней. Зона где выделилась та значительно уменьшившаяся в вашем расчете энергия пылинки доставшаяся парусу будет расползаться по телу паруса в 300 раз медленней чем я предположил на своем рисунке (в своей примитивной модели).
А это значит что, скажем, слив этой же энергии в вакуум космоса путем эмиссии электронов (кстати что вы по этому поводу скажете? Приводит ли прохождение пылинки к зарядке паруса сильно положительно?) будет куда более быстрым путем и зона уничтожения паруса обещает быть не такой ужасной как показалась в начале.

Кстати да, экран из тонкой фольги перед кораблём будет неплохой защитой от пылинок. Конечно, он будет изнашиваться, но потеря массы такого экрана со временем будет намного меньше, чем у массивного щита. Причём, действительно, чем тоньше, тем лучше.

Для щита - ясно. Это даже Камерон просек! Пылинка просачиваясь испаряется. А уже паром "плашмя" ударяясь в следующий щит где отобранная энергия рассеивается уже без всяких видимых повреждений .



Подобная защита от метеоритов строится и на ныне действующих космических аппаратах. И прекрасно себя показывает и в расчетах и в экспериментах и на практике.

AlexAV, так и не ответили...Как изменяються тормозные потери в матерьяле по мере того как растет энергия электронов?

Да не это главное!

Алекс! Как бога прошу!
 
"Имя сес-г-а! Имя!"  (с)  (фильм "Три мушкетера") [ ]

Все-таки, какой диаметр ДЫРКИ от пылинки  50- 30 нм в парусе подобной же толщины в итоге получается?

Во сколько раз она будет в итоге больше диаметра пылинки? Это  - ключевой момент ради которого вообще стоит что-то тут считать! Будет ли он превышать диаметр пылинки в 100 раз или нет? Это - цена вопроса!
Судя по тому, что вы сказали картинка получается очень оптимистичная. Энергии парусу от пылинки передается во много раз меньше ибо пылинка просачивается почти не замедляясь. Гм…

[alex_semenov]

Сомневаюсь я в каких-либо перспективах нанотрубок и усов в парусе. Нанотрубки – это сильнонеравновесное состояние углерода и при облучении они будут трансформироваться в равновесное (графит), т.е. сажу. А уникальные механические свойства усов обусловлены малой концентрацией дефектов, которая по понятным причинам сохранится в условиях паруса недолго.
Скорее придётся обходится только металлической проволокой.

Да, я помнь этот ваш вывод еще на НК.

Почему я с тех пор все время цепляюсь за очень приметивные металлические паруса.
Кстати, а вот для токовой петли магнитного парашюта это будет проблемой.
Там ведь нужен именно хитрый наноматериал для сверхпроводников.

[alex_semenov]

При темпах торможения 550 эВ/нм каждый ион углерода даже в парусе толщиной в 1 мкм отдаст только 550 кэВ из своих 56 МэВ, т.е. только около 1%.

Господа! Помогите нищему! Подскажите как эта потеря считается? Я кажется что-то пропустил?... Каюсь!
Я кажется даже где-то видел длиннющую формулу для этого (если не ошибаюсь).
Там было Z заряженной частицы, Z мишени... масса электрона, масса частицы... релятивистская гамма... Нет?

[ВадимZero]

То есть, пылинка фактически ПРОСАЧИВАЕТСЯ сквозь парус?   

Он же вроде сразу это показал. Каждый атом углерода, пройдя через 40 нм парус оставляет энергию...27кэв. При этом каждый нуклон летящий со скоростью 0.1с имеет энергию порядка 3,5 мэв, тоесть для углерода это 42 мэв...Тоесть пылинка оставляет в парусе 0.064 % своей энергии. Но это без учета потерь, на торможение электрона. К слову, 40нм паруса не достаточно для полного торможения электрона. И без учета, поправок на торможение на горячих электронах.

Судя по тому, что вы сказали картинка получается очень оптимистичная. Энергии парусу от пылинки передается во много раз меньше ибо пылинка просачивается почти не замедляясь. Гм…

Судя по его расчетам получаеться 7 суток. Когда я считал, то у меня получилось в районе 100 лет, но это при условии что большая часть энергии греет космос. По его расчетам как раз почти вся энергия уходит на нагрев, и плавление паруса.

Кстати, а вот для токовой петли магнитного парашюта это будет проблемой.

Токовую петлю ка раз таки можно защитить, экраном, так как сечение ее не вилико. А от заряженых частиц она сама себя защищает.