Космический парусник: имеет ли он смысл?

[noxx77]

Зарплата - это на самом деле энергия, так как львиная доля человечества тратит деньги на еду (внутренняя энергия) и одежду-жилище (внешняя энергия).
Возможно, что роботы более экономичны, чем человек, и начиная с определенного момента (когда роботы станут очень дешевы)

Замена людей на роботов приведет к экономии на пищу (можно будет выкинуть сельское хозяйство, однако электроэнергию в сотни ватт все равно придется доставить роботу), немного сэкономим на освещении (более чувствительные фотоэлементы, экономия на уличном освещении и рекламе) и немного - на микроклимате (одежда, котельные - однако и роботу нужны расходы на борьбу с перегревом или замерзанием процессоров и сервомоторов). Будет небольшая экономия на транспорте (за счет отмены нынешних нерациональных перемещений людей - однако грузы и сами машины-роботы все равно придется перевозить), на индустрии развлечений (не нужны телефильмы, туризм, рестораны и т.п. - но это тоже всего 15% энергетики).

[дерево]

Какая максимальная скорость парусника, разгоняемого светом звезды? Без учёта притяжения звезды расчёт получается простой
\[\begin{array}{l}
{V_{\max }} = \sqrt {\frac{{2{E_{\max }}}}{m}} \\
{E_{\max }} = \int\limits_{{R_0}}^\infty  {Fdr} \\
F = \frac{{2P \cdot k_r}}{c} = \frac{{2\sigma \cdot k_r  \cdot S \cdot {T^4}}}{c}\frac{{R_{Star}^2}}{{{r^2}}}\\
m = S \cdot h \cdot \rho  = S \cdot {\rho _A}
\end{array}\]где \(m\) — масса всего корабля, \(S\) — площадь паруса, \(ρ_A\) — поверхностная плотность или массовая толщина паруса с учётом массы всего корабля, \(k_r\) — коэффициент отражения (~0,9 для алюминия при комнатной температуре и ~0,8 при температуре около плавления), \(R_0\) — начальное расстояние от центра звезды, \(R_{Star}\) — радиус звезды.
\[{V_{\max }} = 2 \cdot {T^2} \cdot {R_{Star}}\sqrt {\frac{\sigma \cdot k_r }{{c \cdot {\rho _A} \cdot {R_0}}}}  = {R_{Star}}\sqrt {2\frac{{{a_0}}}{{{R_0}}}}  \approx 2,5 \cdot {10^{ - 8}}\frac{{{T^2} \cdot {R_{Star}}}}{{\sqrt {{\rho _A} \cdot {R_0}} }}\]где \(a_0\) — начальное ускорение.
Наибольшее значение будет при старте от звезды:
\[{V_{\max }} = 2 \cdot {T^2}\sqrt {\frac{{\sigma \cdot k_r  \cdot {R_{Star}}}}{{c \cdot {\rho _A}}}}  = \sqrt {2 \cdot {a_0} \cdot {R_{Star}}}  \approx 2,5 \cdot {10^{ - 8}} \cdot {T^2}\sqrt {\frac{{{R_{Star}}}}{{{\rho _A}}}} \]Любой парус поглощает часть отражаемого света (с коэффициентом поглощения \(k_{abs}=1-k_r\) ) и нагревается. Если его обратная сторона будет иметь покрытие излучающее близко к абсолютно чёрному телу, то он будет нагреваться до температуры
\[{T_{soil}} = T\sqrt {\frac{{{R_{Star}}}}{r}\sqrt {\frac{{{k_{abs}}}}{{1 + {k_{abs}}}}} } \]Соответственно допустимая температура паруса \(T_{max} \) ограничивает минимальное расстояние запуска паруса
\[{R_{0\min }} = \frac{{{T^2}}}{{T_{max }^2}}{R_{Star}}\sqrt {\frac{{{k_{abs}}}}{{1 + {k_{abs}}}}} \]И возможная максимальная скорость становится значительно меньше
\[{V_{max }} = 2 \cdot T \cdot {T_{max }}\sqrt {\frac{{\sigma  \cdot {k_r} \cdot {R_{Star}}}}{{c \cdot {\rho _A}\sqrt {\frac{{{k_{abs}}}}{{1 + {k_{abs}}}}} }}} \]Для алюминиевого паруса с максимальной температурой 930 K
\[{V_{max }} \approx 3,7 \cdot {10^{ - 5}} \cdot T\sqrt {\frac{{{R_{Star}}}}{{{\rho _A}}}} \]Если алюминий паруса (содержащий ещё чёрное покрытие) будет составлять половину массы всего корабля, то зависимость скорости от толщины \(h\) алюминия будет следующая
\[{V_{\max }} \approx 5 \cdot {10^{ - 7}} \cdot T\sqrt {\frac{{{R_{Star}}}}{h}} \]
Пи³ Ориона приведена, как ближайший представитель самых тяжёлых звезд, живущих не менее трети от Солнца, что может позволить там развиться цивилизации.


Чтобы парусник ощутимо разгонялся светом, а не наматывал растущие эллипсы вокруг звезды, ускорение создаваемое парусом должно быть больше ускорения свободного падения на звезду.
\[\frac{{2\sigma \cdot k_r  \cdot {T^4}}}{{c \cdot {\rho _A}}}\frac{{R_{Star}^2}}{{{r^2}}} = a > g = \frac{{G \cdot M}}{{{r^2}}}\]Предполагая массу паруса 2/3 от массы всего корабля, поверхностная плотность или массовая толщина паруса должна быть меньше:
\[{\rho _A} < \frac{{4 \cdot \sigma \cdot k_r  \cdot {T^4} \cdot R_{Star}^2}}{{3 \cdot c \cdot G \cdot M}} \approx 3 \cdot {10^{ - 6}}\frac{{{T^4} \cdot R_{Star}^2}}{M}\]Для Солнца эта величина составляет ~300 нм.

С другой стороны минимальная толщина паруса ограничена способностью отражать основную часть света. Толщина алюминия комнатной температуры необходима 40 нм, чтобы отражать максимальную долю видимого и ближнего УФ света. Но максимальный разгон требует минимального расстояния от звезды в начале разгона, где приобретается основная часть скорости. При максимальной температуре твёрдого алюминия его активное сопротивление возрастает в 4 раза. Учитывая, что толщина скин слоя пропорциональна корню из сопротивления, то можно предположить, что толщина горячего алюминия должна быть в 2 раза больше, то есть 80 нм.

При таких расчётах оранжевые карлики получаются минимальными звёздами, от которых возможно разгонять световые парусники. Например для звезды Эпсилон Эридана класса K2V алюминиевый парус должен быть тоньше 150 нм, чтобы было достаточное ускорение.

Предельная скорость солнечного парусника получается лишь \(\sim 300\; км/с \approx 0,001\cdot c\), чего слишком мало для межзвёздных полётов.

[дерево]

Возможен ли разгон до больших скоростей диэлектрическим парусом с лазерным освещением?

Здесь в разделе 3.4 написано, что существуют материалы, позволяющие изготовлять тонкие зеркала с коэффициентов поглощения <2·10⁻⁷, скорее всего в лабораторных условиях без ионизирующего излучения! Соответственно кажется возможным создание паруса, выдерживающего мощность до сотен МВт/м² при условии теплового излучения десятки ватт, которое сильно ограничено коэффициентом поглощения (определяющим и долю излучения относительно абсолютно чёрного тела) теплового ИК у тонких диэлектриков. Толщина каждого отражающего и промежуточного слоя диэлектрического паруса точно равна четверти длины волны с учётом коэффициента преломления. Если рассматривать освещение паруса лазером, преобразующим напрямую бесплатный солнечный свет, то длина волны будет >500 нм, а толщина однослойного паруса >50 нм, соответственно масса >0,1 г/м².

Учитывая, что отражает однослойный парус далеко не весь свет, то ускорение возможно <10 км/с².

Но выдержит ли парус взаимодействие с межзвёздной средой во время разгона пусть даже без учёта пыли?
На земной орбите солнечный ветер имеет плотность 8,8 протонов на см³ или 1,5·10⁻²⁰ кг/м³ при скорости ~0,001 c. Следовательно для межзвёздного корабля это уже среда, на которую он налетает. Межзвёздная среда имеет плотность ~1 атом на см³ (при чём каждый десятый — гелий) или 2,2·10−21 кг/м³. И ещё тяжёлых атомов в тысячу раз меньше. Во время разгона минимальную плотность газа можно принять 4·10⁻²¹ кг/м³. Глубина проникновения налетающих протонов и ядер атомов зависит от их скорости и для энергий <4 кэВ на протон составляет <50 нм при плотности ~2 г/см³.

Следовательно на скоростях <0,003 c (относительно солнечного ветра) налетающие частицы будут полностью передавать свою энергию ближайшим атомам зеркала и мощность составит \[P_{<0,003c}\approx 2 \cdot 10^{-21} \left |V-V_{s.w.}  \right |^{3} \cdot[\; кг/м^3]\] где V_s.w. — попутная составляющая скорости солнечного ветра.
При скорости 0,003 c будет лишь 1,5 мВт/м². При дальнейшем увеличении скорости до ~0,012 c потери энергии протонов в веществе также будут увеличиваться до 10 кэВ на протон. Следовательно мощность потерь в интервале скоростей ~0,01...0,015 c (относительно солнечного ветра) будет\[P_{\sim 0,01...0,015c}\approx \frac{V-V_{s.w.}}{c}=\beta \cdot[\; Вт/м^2]\]На скоростях больше >0,02 c уже достаточно точно работает формула Bethe для ионизирующих потерь энергии протонами и другими ядрами в веществе. И мощность составит\[P_{>0,02c}\approx \frac{0,0002}{\beta }\left(9+\log\frac{\beta ^2 }{1-\beta ^2}\right) \cdot[\; Вт/м^2]\]В итоге можно построить зависимость мощности ионизации вещества зеркала толщиной 0,1 г/м² только газом без учёта УФ Солнца, от скорости корабля относительно солнечного ветра

Общего нагрева зеркала столь малые значения вызывать не могут. Но энергия выделятся в малом объёме, лишь около атомов расположенных возле пролетающего протона, соответственно удельные энергии достаточны для плавления и вскипания окружающей области. В результате каждый пролёт протона и, тем более, ядер гелия и более тяжёлых атомов становится нановзрывом создающим местное разрушение зеркала.
Чтобы вырвать из твёрдого тела кусок необходима энергия меньше, чем для его плавления. Если теплота плавления <200 кДж/кг (что характерно для различных оксидов), то скорость уменьшения объёма зеркала вырываниями может достигать 0,0001 г/(с·м²) на скоростях ~0,02 c. То есть зеркало может разрушится за несколько минут ещё во время разгона! Учитывая полученное выше ускорение <10 км/с², то за время разгона до ~0,015 c будет вырвано несколько процентов объёма зеркала с созданием множества нанотрещин, что не позволит ему выдерживать большие нагрузки и продолжить ускорение. И чем меньше ускорение, тем дольше зеркало будет подвергаться ионизирующему излучению и тем до меньшей скорости можно успеть разогнаться до разрушения зеркала. Например при ускорении 10g (допустимом для людей кратковременно) возможно разогнаться максимум до ~0,005 c.

Более того, ионизация при пролёте протонов и других ядер сквозь зеркало будет влиять на его оптические свойства, увеличивать поглощение лазерного излучения. Но не удаётся найти информацию о том насколько сильно возрастёт поглощение, которое ограничивает мощность и соответственно ускорение, которое из-за малого времени работоспособности зеркала ограничивает скорость.

[alex_semenov]

Мы здесь много набили друг другу морд именно в битве за целостность паруса под ударами пыли.

Я помню, что пришёл даже к некой модели взаимодействия пылинки с парусом, который по толщине сопоставим с диаметром пылинки. Получалось что там неясная физика. Насколько большую дыру выжжет пылинка вокруг себя? Это был ключевой вопрос (я высчитал какой диаметр выжигаемой дыры смертельный, какой еще нет).

начальные бредни



конечные бредни (с попустительства AlexAV)


 

Найдите моё первое сообщение, включите фильтр, тут меня любимого всего 9 страниц и пролистайте как иллюстрированный журнал.
Там по картинкам можно понять где какая тема обсуждается (выключите фильтр что бы почитать чужое мнение).
В сущности мы поняли что ничего пока не ясно.
Про межзвездный водород. Все сошлись на том, что сквозь тонкий парус он будет просто проходить насквозь. Хотя есть узкое место (водородный барьер) когда скорость еще мала что бы водород не замечал парус, а энергия уже велика что бы начать его разрушать.
Лично я всегда рассматривал парус как ракету-носитель, который после разгона можно отбросить. Поэтому меня мало волновал вопрос его выживания в инерциальном полёте. А когда парус разгоняется он в луче и в принципе это можно было бы использовать для "очистки" коридора разгона от пыли.
Такая вот идея.
О парусах существует масса работ. Так много, что я даже перестал их уже собирать. Самые первые - да было интересно.

[николай теллалов]

выдержит ли парус взаимодействие с межзвёздной средой

когда парус разгоняется, он в луче, и в принципе это можно было бы использовать для "очистки" коридора

вот как раз пример элегантного решения

а когда разгон прекращается, парус складывается в более плотный щит
в конце полета по инерции остатки щита формируют петлю магнитного парашута

при ускорении 10g

не нужно такое ускорение вовсе, хотя и людей на борту ПЕРВОГО корабля к данной цели вообще быть не должно

ускорения в 1 же хватает на разгон до половины скорости света на дистанции ЧЕТВЕРТь св.года (9500 а.е.) в течении года и полтора месяца (на борту корабля пройдет чуть больше 6 месяцев);
(9,5 тыщ астроноединиц приемливо для фокусировки лазера-мазера?)
далее считаем время пути до выбранной цели, предполагаем тормозной этап симметричным ускорительному (что вполне возможно ввиду эрозии щита) - и получаются вполне себе оптимистические числа.

вообще проблема с парусом другая - достаточно тугоплавкий материал, да еще с нехилыми механическими свойствами при нагреве от луча

все остальное - проблемы гондолы парусника. Нет еще ИИ, нет технорепликаторов. Нет и надежд, что "экономическая логика" позволит их создать, не стремясь калечить ради "сохранения контроля".

[николай теллалов]

на дистанции ЧЕТВЕРТь св.года (9500 а.е.)

прошу прощения, сглупил - 0,15 св.лет вовсе не четверть

спасибо что коллега 6th Book в ЛС мне на ошибку указал

[Foma]

Acta Astronautica: Light-induced propulsion of graphene-on-grid sails in microgravity


Образец графенового паруса

Товарищи из университета Дельфта провели первые в своем роде эксперименты по отработке технологии графенового паруса в условиях, приближенных к реальным. Образец размером ~3 мм был изготовлен по схеме "графен на металлической подложке" -  это основная тема для ультратонких парусов, поскольку сам по себе графен почти прозрачен (коэффициент поглощения 0.023) и требует отражающего слоя. В данном случае использовался двуслойный графен, полученный химическим осаждением из паров (CVD), который был нанесен на медную пленку толщиной 30 мкм, для уменьшения веса перфорированную отверстиями размером 6.5 мкм. Образец помещался в вакуумную камеру, откачанную до давления 10^-8 бар, освещался лазером мощностью 0.1-1 Вт, причем во время эксперимента вся эта конструкция  находилась в свободном падении в ZARM Drop Tower и в течении 4.7 с наслаждалась невесомостью с уровнем остаточных ускорений <10^-6 g.
По данным видеосъемки в ходе эксперимента образец двигался с ускорениями до ~1 м/с², что более чем на порядок превышает величину, которую можно ожидать от собственно давления света. Авторы указывают, что полученные результаты едва ли можно объяснить радиометрическим эффектом или испарением вещества паруса в лазерном луче, тут пока остается загадка.
Интересно заметить, что это уже второй эксперимент с похожим результатом. Ранее китайцы добились левитации графеновой губки в луче лазера при мощностях, заведомо малых в плане давления света. Как выяснилось, эффект был вызван разновидностью фотоэлектронной эмиссии (Light-Induced  Ejected Electrons, как они ее назвали), характерной именно для графена. Импульс выбитых электронов оказался достаточно велик, чтобы привести образец в движение. Вероятно похожий, ракетный по сути двигатель получили и голландцы, что в общем-то даже и неплохо. Пусть и не давлением света, но выходит графеновые паруса можно эффективно ускорять при весьма умеренных мощностях лазера.

[Проходящий Кот]

Так парус испаряется или нет?

[Foma]

Новая гибридная схема для разгона космического парусника: Diffractionless Beamed Propulsion for Breakthrough Interstellar Missions

Обходит дифракционный предел за счет самофокусировки в смешанном лазерно-атомарном пучке.



Свет фокусируется градиентом показателя преломления, атомы фокусируются градиентом интенсивности света и при определенных условиях система самобалансируется. Для достижения необходимого градиента показателя преломления предлагается использовать атомы щелочных металлов типа цезия - они отличаются большой поляризуемостью. Частота излучения должна соответствовать частоте перехода D1, там за счет резонансных эффектов поляризуемость растет еще на несколько порядков и  становится возможным эффективное взаимодействие света с атомами. По ссылке можно почитать подробнее, вся физика изложена обширно и доступно. Найдены необходимые для самофокусировки профили излучения и атомов, разобраны вопросы устойчивости пучка и влияние на него разных факторов, приведен обзор сопутствующих технологий, сделаны прикидки по возможной реализации для дальних миссий - от межзвездных до межпланетных.
Заявляется, что реален разгонный самофокусирующийся пучок размерами ~метра на расстояниях до 0.1...1 а.е. Схема имеет плюсы для разгона до небольших скоростей, ~0.01с, миссий к гравитационному фокусу Солнца или к транснептуновым объектам, для скоростей ~0.1с оптимальнее лазер. Главный плюс схемы - простота и компактность. Габариты установки составят ~метров, тогда как аналогичная по возможностям чисто лазерная схема потребовала бы массива излучателей с апертурой в несколько километров (см Breakthrough Starshot).
Пример оптимальной миссии к гравитационному фокусу Солнца: при доступной мощности в 200 МВт можно разогнать зонд массой 11.5 кг до скорости 200 км/с. Время разгона составит ~5 часов, длина разгона - 2 млн км, скорость атомов в пучке - 2500 км/с, концентрация атомов ~10⁷ см^-3
В общем, интересная тема и вроде технологии необходимые уже появляются. Есть, что обсудить.

[SpaceEngineer]

Свет фокусируется градиентом показателя преломления, атомы фокусируются градиентом интенсивности света и при определенных условиях система самобалансируется.

Так это же плазменная пушка! Где наши космические милитаристы?

[petrovich1964]

длина разгона - 2 млн км. ... Есть, что обсудить.

Количество переходит в качество. У меня сомнения, что на большом расстоянии будет также как и в лабораторном опыте.

[otu K.]

лень читать бредовую тему. а идею "одуванчика" не рассматривали? когда нити молекулярного уровня расходятся на много километров? в итоге накапливается заряд, достаточный для превращения чего-то во что-то. а потом опять сначала.

[Проходящий Кот]

Бред сивой кобылы

[otu K.]

Бред сивой кобылы

как скажете я и не выдвигался на Нобеля или Шнобеля, просто обратил внимание на громадный объём взаимодействия с пространством у "одуванчика",не вникая в конкретику "звёздного ветра"

[николай теллалов]

лень читать

как жаль что не поленились и писать...

[otu K.]

как жаль

чем же вас огорчила моя "пушинка"?  ведь полюбому улетит за пределы солнечной системы, сохраняя отличные перспективы для связи, за счёт громадной действующей высоты антенны )) в "юном технике" кажется был конкурс на лучший космопарусник, тогда я и подумал про "одуванчик"... вот под настроение и вспомнил

[petrovich1964]

тогда я и подумал про "одуванчик"

Замкнуть нити, пустить ток, получить магнитное поле любой конфигурации?

[Rattus]

когда нити молекулярного уровня расходятся на много километров?

Путём испарения в вакууме и при посредстве жёсткого излучения.

в итоге накапливается

межзвёздный газ.

[БаронV]

Мы здесь много набили друг другу морд именно в битве за целостность паруса под ударами пыли.
 помню, что пришёл даже к некой модели взаимодействия пылинки с парусом, который по толщине сопоставим с диаметром пылинки. Получалось что там неясная физика. Насколько большую дыру выжжет пылинка вокруг себя? Это был ключевой вопрос (я высчитал какой диаметр выжигаемой дыры смертельный, какой еще нет).

В целом неясно поведение пыли, покидающей Солнечную систему.
Будет ли она равномерно рассеяна по сфере, или же как-то сконцентрируется в той или иной зоне.

Налипание на космические пылинки электронов из межзвездного газа и фотоионизация пылинок ультрафиолетовым излучением приводят к тому, что пылинки оказываются электрически заряженными и их электрический заряд может достигать величин порядка десятка элементарных зарядов. (с)
 
Напомню первое сообщение автора этой темы:

Предположим, мы летим на космическом паруснике от Солнца к звезде Х. По мере прохождения маршрута солнечный ветер будет ослабевать, а ветер от звезды Х усиливаться. Но ведь ветер от звезды Х дует в противоположную сторону! Он сначала затормозит парусник, а затем отбросит его назад. В итоге парусник застрянет на полпути между звездами.
Получается, космический парусник ни на что не годен.
https://astronomy.ru/forum/index.php/topic,82968.msg1492086.html#msg1492086


Если Вселенная однородна  во всех направлениях, как это было доказано учеными, то логично предположить, что навстречу "нашим", электрически заряженным пылинкам,  летят такие же, электрически заряженные пылинки, со всех иных направлений межзвёздной среды.
 За гелиопаузами  влияние солнечного/звездного ветра незначительное.  Гравитация ( окомкование в шар)  тоже работать не будет, ибо одинаково заряженные пылинки будут активно отталкиваться друг от друга.
И вот непонятно, как решится этот космологический компромисс. Пыли-то деваться особо некуда. Вперед ей нельзя. Назад, тоже нельзя. Прилетела и стой раз-два. 

[Dem]

Если Вселенная однородна  во всех направлениях, как это было доказано учеными, то логично предположить, что навстречу "нашим", электрически заряженным пылинкам,  летят такие же, электрически заряженные пылинки, со всех иных направлений межзвёздной среды.
 За гелиопаузами  влияние солнечного/звездного ветра незначительное.  Гравитация ( окомкование в шар)  тоже работать не будет, ибо одинаково заряженные пылинки будут активно отталкиваться друг от друга.
И вот непонятно, как решится этот космологический компромисс. Пыли-то деваться особо некуда. Вперед ей нельзя. Назад, тоже нельзя. Прилетела и стой раз-два. 

Всё-таки в среднем пространство электрически нейтрально, просто наполненно заряженными пылинками и голыми протонами. Которые слишком шустрые (горячие) чтобы в этих пылинках застрять.
Но такие облака потихоньку остывают, ибо энергия соударений излучается...
Ну а парус - во время полёта надо сворачивать.