Ян (ahiin) wrote in i_future,
Ян
ahiin
i_future

Все на выход.

Оригинал взят у ahiin в Все на выход.

Хватит ли у нас энергии, чтобы отправить все человечество в дальний космос?

—Adam

Есть целая куча научно-фантастических фильмов, в которых, по причине экологического загрязнения, перенаселения или ядерной войны, человечество покидает Землю.

Подъем человека в космос - непростая задача. Оставляя в стороне вариант со значительным сокращением населения, возможно ли с физической точки зрения запустить в космос все человечество? Давайте не будем беспокоиться о том, куда мы направляемся, предположим, что нет необходимости искать новый дом - мы просто не можем оставаться здесь.

people being cut off and sent floating into space in bubble

Чтобы определить, насколько это правдоподобно, мы начнем рассмотрение с самой минимальной потребной энергии: 4 гигаджоуля на человека. Безразлично, как мы этого добьемся, используя ли ракеты, пушку или космический лифт. Подъем 65-килограммового человека (или 65 килограмм чего угодно) из гравитационного колодца Земли, как минимум, потребует этого количества энергии.

e_g

Энергия, необходимая телу, чтобы покинуть Землю, равна кинетической энергии тела при движении со второй космической скоростью (скорость убегания для Земли).

e_65

Много ли это - 4 гигаджоуля? Это около одного мегаватт-часа, что примерно равно 1-2 месячному потреблению обычного домохозяйства. Так же, это количество энергии содержится в грузовой газели, полной  пальчиковых батареек, или в 90 килограммах бензина.

an avalanche of batteries falling out of the open back of a cargo van

Четыре гигаджоуля на семь миллиардов человек дает нам  2_18 джоулей или 8 петаватт-часов.  Это около 5% мирового потребления энергии в год. Очень много, но не невозможно.

Но это только минимум. На практике, все зависит от транспортного средства. При использовании ракет затраты будут гораздо больше. Фундаментальный недостаток ракет в том, что они вынуждены тащить на себе свое собственное топливо.

Давайте вернемся ненадолго к тем 90 килограммам бензина (около 120 литров), поскольку на их примере легко продемонстрировать основную космических путешествий.

Если мы хотим запустить 65-килограммовый космический корабль, нам нужно сжечь около 90 килограмм топлива (удельная энергия бензина сравнима с ракетным топливом, так что мы будем придерживаться этого примера). Мы загружаем это топливо на борт и теперь наш космический корабль весит 155 килограмм. Космический корабль весом 155 кг требует 215 кг топлива, так что мы загружаем дополнительные 125 кг...

К счастью, в действительности мы избавлены от этого бесконечного цикла, когда приходится добавлять 1,3 килограмма на каждый добавленный килограмм потому, что нам не нужно везти это топливо весь путь наверх. В процессе движения мы его сжигаем, ракета становится легче и легче, а значит, требуется все меньше и меньше топлива. Тем не менее, часть пути его придется везти. Количество топлива, необходимое для того чтобы достигнуть заданной скорости определяется с помощью уравнения Циолковского:

ciol


m_start и  m_end- полная масса корабль+топливо до начала и после окончания работы двигателя соответственно, а v_e - это скорость истечения газов ракетного двигателя, лежащая между 2,5-4,5 км/с.

Самое важное здесь - это отношение v_delta к v_e - желаемой скорости движения к скорости истечения газов двигателя. Отношение стартовой массы к массе пустого корабля есть экспонента указанного выше отношения, а экспонента очень быстро растет. Чтобы покинуть Землю, нам нужно двигаться вверх со скоростью v_delta около 13 км/с [очевидно, автор оставляет некоторый запас скорости для маневра, скорость убегания для Земли 11,2 км/с], а так как v_e не может быть значительно больше чем 4,5 км/с, то отношение масс топливо/корабль будет не менее rat. [Автор не упоминает перспективные ГФЯРД с v_e на порядок большим, чем у химических двигателей. Однако, следует признать, что хотя ГФЯРД обещают революцию в космонавтике, запуск всего человечества в космос на ракетах от этого сильно правдоподобнее не становится. (спасибо читателю kouzdra]

В результате, чтобы преодолеть земную гравитацию используя традиционное ракетное топливо, однотонному кораблю нужна заправка весом от 20 до 50 тонн. Запуск всего человечества (общий вес около 400 миллионов тонн), следовательно, потребует 10 триллионов тонн топлива. Это много; если использовать углеводородное топливо, то потребуется весьма значительная часть оставшихся мировых запасов нефти. И это мы еще не побеспокоились о весе собственно кораблей, еде, воде или домашних животных (вероятно, около миллиона тонн домашних собак живут в одних только США). А еще топливо понадобится для производства всех этих космических судов, для транспортировки людей к пусковым площадкам и т.д. Это не обязательно уж совершенно невозможно, однако определенно за гранью правдоподобия.

Но ракеты - это не единственная возможность. Как бы по дурацки это не звучало, возможно лучшим вариантом будет в прямом смысле слова взобраться в космос по веревке (1) или взлететь с планеты с помощью атомного оружия (2). Это вполне серьезные, хотя и дерзкие, варианты пусковых систем, всплывающие время от времени с самого начала космической эры.

two figures climbing a rope off the earth and an exploded earth with a craft flying off of it

Первый подход - это концепция "космического лифта", любимица авторов научной фантастики. Идея заключается в том, чтобы повесить на "привязь" спутник, летающий достаточно высоко, чтобы держать "поводок" в натянутом состоянии при помощи центробежной силы. После этого мы можем подниматься вдоль троса используя обыкновенные электродвигатели, питаемые солнечной энергией, атомными генераторами или чем угодно, главное чтобы работало хорошо.  Крупнейшее инженерное затруднение в том, что прочность привязи должна быть в несколько раз прочнее, чем все, что мы на настоящее время можем создать.  Есть надежда, что материалы на основе углеродных нанотрубок могут обеспечить необходимую прочность - добавляя тем самым нашу задачу к длинному списку инженерных проблем, от которых можно отмахнуться с помощью приставки "нано-".

Второй подход - это атомная импульсная силовая установка, неожиданно правдоподобный способ заставить большие массы двигаться действительно быстро. Основная идея заключается в том, что вы взрываете атомную бомбу позади себя и осёдлываете ударную волну.  Может показаться, что космический корабль испарится, однако оказывается, что если у него есть правильно спроектированная защита, то взрыв рассеется до того, как произойдет разрушение судна. Если бы удалось сделать эту систему достаточно надежной, то она могла бы в теории забрасывать на орбиту целые городские кварталы, и, соответственно, в потенциале обеспечить достижение нашей цели.

Инженерный фундамент этой идеи оказался настолько прочным, что в 60-х годах, под руководством Фримена Дайсона, правительство Соединенных Штатов действительно попыталось построить такой космический корабль. История этой попытки, называвшейся "проект Орион" детально разбирается в прекрасной книге, написанной сыном Фримена, Джорджем Дайсоном. Защитники атомного реактивного движения все еще разочарованы, что проект был закрыт до того, как был построен какой-либо прототип.  Противники же говорят, что если вы задумаетесь, чего исследователи пытались добиться: засунуть весь наш ядерный арсенал в коробку, зашвырнуть повыше в атмосферу и последовательно взрывать атомные бомбы - становится страшно, что проект зашел так далеко.

[Автор забыл упомянуть еще один перспективный проект  - электромагнитную катапульту. отличие от космического лифта, она, теоретически, реализуема с использованием существующих технологий. Однако, в силу ограничений, накладываемых человеческим организмом, на максимально допустимое ускорение, длина катапульты должна составлять сотни километров, а значит, массовое строительство таких систем невозможно. В результате возникает та же проблема, что и с космическим лифтом: запуск в космос весьма дешев, но пропускная способность системы невелика. Тем не менее, это весьма перспективная система беспилотных пусков. (спасибо читателю kouzdra]

[Есть еще один проект безракетных космических пусков. Так называемая
пусковая петля Лофстрома. Но как по мне - на ее фоне даже космический лифт выглядит скромненько. (спасибо antihydrogen )]

Таким образом, хотя отправить одного человека в космос несложно,  запуск всего человечества исчерпает наши ресурсы до предела и, вероятно, разрушит планету.
Это один маленький шаг для человека, но гигантский скачок для всего человечества.


Источник.

Tags: космическая экспансия, космос, переводы, перспективы, энергия
Subscribe
  • Post a new comment

    Error

    Anonymous comments are disabled in this journal

    default userpic

    Your reply will be screened

    Your IP address will be recorded 

  • 11 comments