Спросите Итана: сможет ли атмосфера затормозить космический корабль?

https://www.forbes.com/sites/startswithabang/2016/04/23/ask-ethan-could-an-atmosphere-slow-down-a-runaway-spaceship/#6aaf3a44412f
  • Перевод
image

В прошлом году Юрий Мильнер и Стивен Хокинг объединились для создания проекта Breakthrough Starshot. Их план состоит в использовании огромного массива лазеров, который будет ускорять очень лёгкий лазерный парус. Парус, с прикреплённым к нему «кораблём на чипе» разгонится до скорости, превышающей 20% от скорости света, и направится к одной из ближайших звёзд. С такой скоростью он должен прибыть к своей цели в течение одной человеческой жизни – потрясающее достижение! И хотя на пути этого проекта стоит невероятное количество экономических и технических препятствий, Алекс Стоктон, надеясь на успех, задаёт вопрос по поводу прибытия корабля:
Мы с отцом обсуждали возможности космического корабля, предлагаемого Мильнером и Хокингом. Отец считает, что его сможет затормозить атмосфера планеты, когда он долетит до своей цели. Я считаю, что ощутимо замедлить его не удастся, и всё это закончится мощным взрывом. Кто прав?

И действительно, целью отправки космического корабля на расстояние в несколько световых лет, к ближайшей планетной системе, не может быть простая пересылка космического мусора по галактике.



Мы хотели бы добраться до системы, изобилующей иными мирами, с возможностью изучить их, получить данные, и возвратить их обратно к тем людям, что всё ещё будут жить на Земле. Мы уже получили невероятное количество информации по поводу чужих солнечных систем благодаря нашей программе по изучению экзопланет, но – как показали миссии New Horizons, Dawn и Cassini, работавшие в нашей Солнечной системе – близкое обследование миров ничем не заменишь.



Если мы сможем туда добраться, это уже будет подвигом. Если мы сможем достаточно хорошо прицелиться и ускориться с подходящей точностью и с нужными значениями, наша скорость будет равняться примерно 60 000 км/с относительно любой планеты или солнечной системы, в которую мы прибудем. Задумайтесь об этом: 60 000 км/с, 216 млн км в час. Если такая скорость превышает всё, что вы можете себе представить – так оно и есть. Она превышает скорость любого известного нам макроскопического объекта, и это в сотни раз больше скоростей, необходимых для того, чтобы убежать от гравитационного притяжения нашей галактики. Если по пути вы влетите в небольшой участок с рассеянным нейтральным газом, нагрев будет невероятным. Ведь на скоростях в тысячи раз меньших вход в нашу атмосферу могут перенести только самые передовые из тепловых щитов.


Астронавт Боб Крипен с капсулой Gemini-B, и её потрёпанный, но целый тепловой щит

Но если вы двигаетесь в тысячу раз быстрее, ситуация становится в миллион раз хуже. Если вы открывали окно в машине на ходу, вы могли заметить нечто интересное: если ехать в два раза быстрее, сила сопротивления будет в четыре раза больше. Энергия, трение и разогрев космического корабля подвержены той же проблеме; если вы перемещаетесь с удвоенной скоростью, вы разогреваетесь в четыре раза быстрее, а если с удесятерённой – то в сто раз. Чтобы понять, что может испытать корабль Starshot в атмосфере, представим ближайшую аналогию для этого: метеор.



Большая часть метеоров, врезающихся в Землю во время метеорного дождя, сравнима по массе с нашим аппаратом – от 0,1 до 10 грамм. Количество кинетической энергии метеора пропорционально его массе и квадрату его скорости относительно атмосферы. Эти метеоры летят быстро: от 20 до 110 км/с, и обычно сгорают в атмосфере за долю секунды. Во время обильного и красивого метеорного дождя можно увидеть десятки или даже сотни всплесков в небе за ночь.



Теперь мы подходим к космическому кораблю: его масса сравнима с метеором, а вот скорость в 1000 раз больше. Это значит, что его кинетическая энергия, которую надо будет рассеять, будет в 1 000 000 раз большей, чем у типичного метеора. Планета, столкнувшаяся с космическим кораблём весом в 1 грамм, движущимся со скоростью в 60 000 км/с, испытает такую же катастрофу, как столкновение планеты с астероидом массой в 1 тонну, движущимся со скоростью в 60 км/с: эквивалент того, что на Земле происходит раз в десять лет.


Метеор 1860 года, художник Фредерик Эдвин Чёрч

На таких скоростях вещество космического корабля превратится в плазму, когда у атомов/молекул будут оторваны их электроны. Такой тонкий и распределённый корабль, какой планируют построить, будет дезинтегрирован за микросекунды – что хорошо, поскольку ему понадобится всего лишь 1 000 микросекунд на то, чтобы преодолеть толщину атмосферы, сравнимой с Земной.



В попытках сохранить космический аппарат в целости лучше всего будет положиться на присутствующий в точке прибытия такой же массив лазеров, который сможет облучить корабль светом той же частоты, что его разгоняла. Мы прекрасно справляемся с созданием материалов, способных отражать порядка 99,999% падающего на них света определённой частоты – благодаря этому концепция такого аппарата имеет право на жизнь. Но если вы врезаетесь во что угодно, отличное от света такой частоты – в любое другое излучение, или материю – вы будете поглощать огромное количество энергии. А на таких скоростях это будет означать дезинтеграцию. Так что, с сожалением сообщаю тебе и твоему отцу, Алекс, что сопротивление атмосферы замедлит ваш космической корабль, но сделает это в виде огненной катастрофы, которая уничтожит всё, что есть на корабле, вплоть до отдельных атомов.
Поделиться публикацией
Никаких подозрительных скриптов, только релевантные баннеры. Не релевантные? Пиши на: adv@tmtm.ru с темой «Полундра»

Зачем оно вам?
Реклама
Комментарии 72
  • +1
    наконец-то можно будет пострелять лазером из германии по лягушкам в космосе))))
  • +1
    которая уничтожит всё, что есть на корабле, вплоть до отдельных атомов.

    А точно до ядерной реакции дойдет?
    • +2
      Энергия ядра алюминия, движущегося со скоростью 60000 км/с — 507Мэв. Так что, насколько я понимаю, ядерные реакции вполне возможны. Но в статье под уничтожением атомов всё же скорее всего подразумевается их полная ионизация.
      • 0
        Не просто возможно, столкновение с протоном на такой скорости с большой вероятностью разорвёт ядро на части.
        • 0
          Проблема только в том, что прямого столкновения с протоном, скорее всего, не будет. Будет ионизация.
          • +1
            А как ионизация помешает столкновению, при такой то энергии?
            • 0
              Сначала конечно с налатеющего атома быстро сорвет все электроны (т.е. полная ионизация), но энергии после этого останется еще море — чтобы полностью «счистить» всю электронную оболочку максимум несколько % кинетической энергии уйдет, причем это для самых тяжелых элементов, в легких это будут доли %.
              В результате дальше полетит сталкиваться с атомами мишени уже «голое» ядро без электронов. В результате чего практически гарантированны ядерные реакции.
              • 0
                Это да, но за толщину атмосферы(если это не газовый гигант, конечно), все атомы другие атомы могут не найти. Ибо очень уж они маленькие без электронов. Может какойто процент и столкнется, но сильно много.
                • 0
                  Толщина особо не важна, хватит и уровня земной — тогда все-равно до поверхности ничего не долетит, вся энергия будет рассеяна в столкновениях либо с электронными оболочками атомов газа, либо с их ядрами и вопрос только в пропорциях — сколько будет столкновений с электронами до первого жесткого столкновения прямо с ядром.

                  Эквивалентная толщина атмосферы сравнимой с земной (порядка 10 тонн/м2 газа) это миллиарды атомных слоев если атомы расположить вообще без промежутков плотную друг к другу (до пересечения внешних электронных оболочек). И порядка 10 слоев атомных ядер если убрать все электроны и сжать до нулевых промежутков между ядрами в слой сплошной ядерной материи.

                  В результате вероятность долететь до поверхности без жесткого столкновения хотя бы с 1 ядром фактически нулевые. Есть только ненулевая вероятность постепенно потерять всю энергию в десятках-сотнях тысяч столкновений с электронами атомов атмосферы прежде чем случится первое жесткое столкновение с ядром.
      • НЛО прилетело и опубликовало эту надпись здесь
        • 0
          Иэн Дуглас, серия книжек «Наследие». Там релятивистским звездолетом, груженым песочком, цельную планету нехороших мимопланетян унасекомили. ;)
          • 0
            Тут проблема в том что:
            1) Чем больше масса звездолета тем больше нужен импульс для разгона
            2) Чем больше нужен импульс тем мощнее нужны двигатели
            3) Чем мощнее двигатели тем больше масса
            И рекурсия

            А. стоп. Тут же нет двигателей у аппарата. Значит должна быть больше мощь лазеров или их количество должно быть больше.
            • +1
              На самом деле это очень сомнительная цитата.
              Да, формально количество кинетической энергии одинаково, но масштаб разрушений определяет не только она.
              • НЛО прилетело и опубликовало эту надпись здесь
                • 0
                  На такой скорости будет вообще неважен материал снаряда. Важна только скорость и плотность на единицу поперечной площади. Грубо говоря 10км проволки в 0.01мм направленной четко по вектору пробьет атмосферу даже если проволка изо льда.
            • 0
              В качестве бреда: А если гравитационным маневром вокруг звезды развернуться на обратный путь?

              Нет я понимаю что на такой скорости, что бы изенить траекторию нужно будет приблизится очень близко к звезеде для маневра, где будет слишком жарко для кораблика… но чисто теоритически....?
              • НЛО прилетело и опубликовало эту надпись здесь
                • 0
                  На такой дистанции и скоростях еще бы в область одной звезды умудриться попасть (по пути туда)…

                  Но и маневры с учетом единственного ускоряющего лазера на земле будут иметь множество ограничений. По задаче у кораблика нет маневровых двигателей — только парус, который толкается лазером с земли.
                • +2
                  Не знаю как это рассчитывается, но чисто интуитивно кажется, что при такой скорости даже сверхтяжелая звезда сможет внести в траекторию только небольшое искривление :) Может быть такой фокус получится с черной дырой…
                  • 0
                    На счет черной дыры я тоже думал в качестве развития этой идеи. И это возможно более реалистичный вариант, но только не всегда она «под рукой» эта черная дыра…
                    • 0
                      Черная дыра точно может развернуть, поскольку по определению может захватить даже фотон, движущийся со скоростью света, не то, что спутник :) Сложность в том, что у обычной ЧД очень велики приливные силы, и несчастный зонд будет «спагеттифицирован». Боюсь, нужна аж сверхмассивная чёрная дыра, а таких точно немного…
                      • 0
                        Мне показалось, что делать лазерную пушку для одного кораблика — расточительство. Но если она построена, а корабли дешевые (с чего им быть дорогими?) можно просто пускать их тысячами (сотнями тысяч) в сторону черной дыры в надежде что один-два попадут так, что развернутся и полетят назад, к Земле.
                    • 0
                      Скорости достаточно для преодоления притяжения Галактики. То бишь, одним манёвром получить эллиптическую траекторию не получится. Серией вокруг разных звёзд и не эллиптическую, а отрезки параболы — думаю да, но это долго и точность нужна очень высокая.
                      • 0
                        Сдается мне что без доп коррекции такую траекторию точно никак не обеспечить, а с коррекцией — будут проблемы. Из за единственной точки откуда работает ускоряющий лазер.
                      • +1
                        Ответ тот же, что и в статье. Теоретически можно, если нырнуть глубоко в атмосферу звезды. Если всё очень-очень точно рассчитать, а вас зовут Дункан Маклауд, вы таки сможете развернуться и лечь на обратный путь. Но есть две новости: плохая и очень плохая. Первая: 49.999% вашей начальной энергии уйдёт на нагрев корабля, и он испарится в начале манёвра даже не из-за излучения звезды, а просто из-за трения об её атмосферу. Вторая: назад вы может и полетите, но очень медленно и печально.
                        • 0
                          Можно попросить инопланетян развернуть наш корабль обратно к Земле, как только он достигнет поверхности их планеты
                          • 0
                            Практически нереально. На столь высоких скоростях 0.2-0.5с нужен очень высокая гравитация.

                            Единственно потенциально рабочая схема — гравитационный маневр на нейтронных звездах. Тогда при использовании мизерного расхода горючего можно развернутся назад. Но нужен относительно компактный регион с нейтронными звездами.
                            • 0
                              … и это получится только у другой нейтронной звезды, и то врятли. От такого маневра любое тело разорвет на атомы.
                              • 0
                                C чего разорвет? Приливные силы не особенно велики, если не уходить очень глубоко в гравитационный колодец.
                                • 0
                                  Если не подходить, то не развернетесь. Вообще это невозможно одним маневром с нейтронной звездой вообще. У вас скорость 0.2с. Тоесть вы за 10секунд пройдете от нейтронной звезды в 1.5млн км — до 0 км и 1.5млн обратно. И за эти 10секунд вы должны получить импульс, достаточный для 0.4с изменения скорости. Это уже близко к черной дыре, никак не нейтронная звезда.
                                  • 0
                                    Я и не говорил, что одной хватит для разворота на 180. Я говорил «компактный регион с нейтронными звездами.» Естественно имелось в виду последовательный разворот на нескольких звездах.
                                    • 0
                                      Нейтронные звезды как раз и близки по гравитации к черным дырам, плотность и гравитация всего в несколько раз ниже чем у малых ЧД. Недостаточно массивная звезда просто не может стать нейтронной, а превратится во что-то другое (белый карлик например).
                              • 0
                                Микроспутник не обладает горючим, чтобы скорректировать орбиту когда будет подлетать к звезде. Значит целится нужно будет на земле. Мне кажется просто не удастся настолько точно это сделать.

                                Относительно самого торможения, не уверен, но если скорость спутника в момент подлета к звезде будет 60000 км/с, для торможения нужно, чтобы спутник «падал» на звезду со скоростью 120000км/с, чтобы поменять вектор скорости на 180градусов + долететь до Земли в течении еще одной человеческой жизни. Это без учета релятивистских эффектов. Впрочем кажется я ошибаюсь… Народ, рассчитайте, кто может гравитационный маневр. )
                                • 0
                                  Гравитационный манёвр полностью сохраняет скорость космического аппарата, но меняет его вектор.
                                  Во время гравитационного манёвра — почти полное отсутствие перегрузок. Точнее перегрузки могут проявиться только в случае огромных размеров космического корабля, например размером с луну. При размерах меньше километра, заметить гравитационное воздействие звезды — можно будет с помощью точных приборов. А по ощущениям их не будет вовсе.

                                  Солнечный ветер, ионизированные газы поднятые магнитным полем со звезды — могут разорвать кораблик. Тут даже торможения не получится.

                                  Магнитное поле звезды — легко может разогреть металл оболочки космического корабля токами Фуко. Точнее нагрев индукцией будет многократно превышать нагрев от излучения.

                                  Словом, подлетать близко к звезде на скорости 0,2с — очень плохо для здоровья.
                                  Однако смотреть фантастические фильмы на эту тему -весьма увлекательно.
                                • –9
                                  «Парус, с прикреплённым к нему «кораблём на чипе» разгонится до скорости, превышающей 20% от скорости света, и направится к одной из ближайших звёзд. „

                                  До чего техника дошла. Превышают скорость света уже. Хотя в пятницу вечером все бывает )
                                  • +2
                                    Превышают не с, а 0.2с. Синтаксически всё правильно
                                    • 0
                                      «превышающей 20% от скорости света» — это совсем не то же, что «превышающей на 20% скорость света» :)
                                    • 0
                                      А если он будет создавать магнитное поле? Тогда он сможет эффективно тормозиться в разряженном ионизированном газе.
                                      • 0
                                        Маленький чип с парусом создает магнитное поле...., из чего, позвольте спросить, вы собираетесь брать энергию на создание этого поля?
                                        • 0
                                          Кстати, можно сделать МГД-генератор и получать энергию из торможения. Для начальной работы использовать статический магнит.
                                          • 0
                                            Это уже усложнение и утяжеление. Больше масса — медленнее разгон — дольше лететь. Т.е. большей массой рушится сама идея благодаря которой предполагается достигнуть столь высокой скорости и разумного времени на достижение цели.
                                          • 0
                                            Шутки шутками, а идея имеет право на жизнь. Кольцо из тонкого сверхпроводника, в который перед стартом закачали некоторый ток. Весит ничего, а магнитным парусом работать вполне может.
                                            • 0
                                              Только оно будет мешать разгону то. Как вы его выключите?
                                        • 0
                                          Еще одна бредовая идея — никакого чипа — просто небольшая болванка чистого металла — влет в атмосферу даст вспышку с известными спектральными линиями, а по тому какой спектр увидим мы можно будет судить о составе атмосферы (по крайней мере верхних ее слоев). Т.е. мы получим обратно информацию, и довольно полезную.

                                          План исследования звездной системы прост — посылаем столько искусственных метеоритов сколько перспективных планет (или чутка больше, на случай промаха) — и узнаем какие из них нам стоит изучать подробнее.

                                          Уже что-то.
                                          • 0
                                            Тут даже в звездную систему нацелить будет проблемой, а попасть в планету можно будет вообще только по чистому (и очень большому) везению :)
                                            • +2
                                              Есть изотопы, у которых критическая масса измеряется граммами. Вот бомбы из них и надо посылать. Устроим инопланетянам ковровую атомную бомбардировку! Их ответка принесёт просто дофига знаний!)
                                              • 0
                                                Прямо на кораблях доставят.
                                                • 0
                                                  Так такие изотопы обычно короткоживущие… не долетят.

                                                  … и да, ответ может быть таким, что информацию уже некому будет анализировать…
                                                  • 0
                                                    ну корабль на 0.2с взорвется не хуже атомной бомбы :) и изотопов не надо.
                                                • 0
                                                  Что-то не верится в простую квадратную зависимость. При 0.2c релятивистские эффекты уже значимую роль играют.
                                                  • 0
                                                    Да ладно, 4% всего. Для грубых прикидок вполне нормальная ошибка.
                                                  • 0
                                                    То есть идея не реализуемая. Зачем разгонять, если не сможешь затормозить?
                                                    • 0
                                                      Идея с разгоном еще толком не решена (тут даже трудно решить вопрос с наведеним лазера на астрономичеких расстояниях).

                                                      Но ставить мысленные эксперименты — полезная разминка для ума. Пурква бы и не па?
                                                    • –5

                                                      Еду зимой по орловской области ночью а тут такой межзвездный конь тащит межзвездную телегу с гуманоидом в позе пентаграммы. Ну думаю хоть и 21й век, а Тесла ещё не скоро до такого рода транспорта додумается, лошадка все-таки поумнее будет чем железка силиконовая. Хозяина родного кормильца с вечерины от кумовей домой довезет куда лучше чем дурной компьютер с нейронными сетями.

                                                      • 0
                                                        Хозяина родного кормильца с вечерины от кумовей домой довезет куда лучше чем дурной компьютер с нейронными сетями.

                                                        Только почему-то при таких превосходных качествах лошадки, при появлении у индивида денег, он пытается заменить ее на "железную повозку с дурными нейросетями". А пока денег нет рассказывает о преимуществах гужевого транспорта.

                                                      • 0
                                                        По мере приближения к чужой звезде — на парус будет действовать свет от этой звезды, и парус начнет тормозиться, а полезный груз столкнётся с парусом и скомкает его
                                                        • 0
                                                          Не думаю, что встречного рассеянного света от звезды хватит, что бы хоть сколько-нибудь существенно затормозить аппарат.
                                                          • 0
                                                            Давления света звезды для этого явно недостаточно, а вот солнечный ветер, возможно, сможет затормозить, причём как на подлёте, так и после пролёта звезды, особенно если аппарат пролетит вблизи неё. А после снижения скорости можно маневрировать парусом чтобы пролететь вблизи массивной планеты, развернуться в гравитационном маневре, и направиться к планете, которая является целью перелёта. Но я не верю, что этот проект может стать реальностью — настолько лёгкий космический аппарат не сможет передать информацию на Землю, не выживет при перелёте, когда каждый атом межзвёздного газа будет сталкиваться с ним с энергией в несколько Мэв, и даже вряд ли переживёт разгон.
                                                          • 0
                                                            А зачем его вообще тормозить или возвращать? Разогнали платформу с оборудованием и передатчиком и вперед. Пролетел, отснял, передал.

                                                            Можно уже сейчас строить массив лазеров для рассылки крошечных зондов по всей солнечной системе и за пределы.

                                                            Если нужна высадка на планету или колонизация, все равно там 10кг не отделаешься.

                                                            В чем смысл?
                                                            • 0
                                                              Платформа с оборудованием и передатчиком не сможет весить 10 грамм => не будет возможности получить 0,2с

                                                              А смысл в том, что текущих технологий даже для такого проекта — недостаточно. Так что, как минимум, смысл в их развитии.
                                                              • +1
                                                                И как вы из штуковины на 10 грамм передадите на Землю сигнал, где он не потонет в шуме?
                                                                • 0
                                                                  А если статистически, передавать одни и те же данные много раз? Или например час вещая на одной частоте, потом меняем фазу и опять час вещаем несущую. Вся информация в фазовом сдвиге (весь бит, а если повезет то два).
                                                              • +1
                                                                Потом у инопланетян будут заголовки в газетах: Земляне развязали межзвездную войну, применив неизвестное кинетическое оружие.
                                                                • 0
                                                                  Вопрос может немного странный, но если еще до прибытия к планете на пути данного снаряда встретится какой-либо космический мусор? Понятно, что он не летает кучами, как показано в голливудских фильмах. Но и просчитать все движения космических тел на пути нереально.
                                                                  • +1
                                                                    мало того что нереально, главная проблема что большую часть просто не видно. Видны только те объекты что отражают от себя какую-то часть электромагнитного спектра. И не просто отражают, а много отражают. Например как комета когда приближается к солнцу, и т.п. А если это будет кусок камня расмером от монеты до кирпича его можно будет увидеть только когда ты с ним столкнешься, но на скорости 0,2 света такое столкновение будет фатальным.
                                                                  • 0
                                                                    Вот это реально круто
                                                                    • 0
                                                                      Так это уже разбиралось, на полпути корабль должен разделиться на лёгкое зеркало и жилой модуль, корабль будет тормозиться отражённым лучём, а зеркало очень быстро улетать “разведывая" путь.
                                                                      • 0

                                                                        А если в районе реки Тунгуски и в суровом Челябинске была реализация идеи? Где-то на ближайшей звезде...

                                                                        • 0
                                                                          По дороге парус ионизируется и будет скомкан и отклонен межзвездным магнитным полем. К тому же межзвездное пространство вовсе не идеальный вакуум и столкновения на такой скорости будут разрушительными.
                                                                          Вояджер в 2013 году вышел за границы гелиосферы и обнаружил в десять раз большие концентрации электронов. Да и космические частицы оказались более злобными, чем внутри Солнечной системы.
                                                                          • 0
                                                                            Один из вариантов как затормозить. Отправляем два паруса. первый вспомогательный, второй основной. Сначало гоним оба. Потом когда нужно затормозить второй — посылаем лазер только на первый, а отраженнный от него сигнал на второй. Второй начнет тормозиться. Ну как то так.
                                                                            • 0
                                                                              Первый снаряд вошёл в атмосферу над Коралловым морем – центнеровый стержень добела раскалённого графита на скорости в половину световой. Ни один глаз не видел процесса падения и испарения: пролёт сквозь всю атмосферу длился меньше миллисекунды. Просто между небом и морем мгновенно возникла бесконечно длинная, тончайшая, ослепительная как тысяча солнц нить – линия раскалённой плазмы, в которую превратился снаряд и воздух на его пути.
                                                                              Воздух в радиусе километра вокруг трека снаряда, пронзённый ливнями высокоэнергичных частиц, тоже немедленно перешёл в состояние плазмы. Над океаном вспыхнул чудовищный столб огня, подобный огненному шару при ядерном взрыве, но более смертоносный, ибо сила его воздействия медленнее падала с расстоянием. Тепловое излучение в радиусе двухсот километров от огненного столба мгновенно испарило верхний слой воды и воспламенило всё, что было способно гореть – корабли, деревья, здания, металлы, почву.
                                                                              Через минуту последовал второй снаряд – над Минданао, затем третий – над Алеутами. Вдоль трассы каждого удара струя раскалённого воздуха била в стратосферу, увлекая за собой пепел, пыль и водяной пар с поверхности, и на месте столба огня поднималась многокилометровая башня из дыма. Закручиваясь в гигантское торнадо, она блуждала по земле много часов и превращала в пустыню даже те области, что избежали прямого лучевого удара… А снаряды всё падали и падали огненным дождём день и ночь.

                                                                              Роберт Ибатуллин. Роза и Червь.

                                                                              Только полноправные пользователи могут оставлять комментарии. Войдите, пожалуйста.