Проект межгалактического корабля

[Skipper_NORTON]

Задача состоит в следующем - нам нужно разогнать корабль с полезной массой 100 тысяч тонн, до скорости 0,9999995с (релятивисткие эффекты и замедление времени будет в 1000 раз), чтобы за 30 лет по часам корабля преодолеть расстояние до центра Галактики (30 тысяч световых лет), или за 2000 лет по часам корабля преодолеть расстояние до галактики Андромеды (2 миллиона световых лет). Тогда можно будет в течении одной жизни совершить межгалактический перелет, в то время люди будут жить тысячелетиями, наука дойдет до этого. (Полезная масса 100 тысяч тонн - это масса хорошего американского небоскреба, меньшую массу рассматривать нет смысла - потому что на корабле будут сложные системы, защиты от гамма-излучения, жестких протонов межзвездного газа, летящего навстречу с большой скоростью, фотонный двигатель, ловушки для антивещества, и т.д.)
 
Двигатель у нас будет чисто фотонный, работающий на аннигиляции антивещества+вещества, считаем что у нас есть идеальное зеркало (технологии будущего).
1-й вопрос - сколько нужно перед стартом взять с собой антивещества, в тоннах (вещества столько брать не нужно, можно намного меньше, т.к. после какого-то разгона, мы можем улавливать в ловушки межзвездный газ - это и будет вещество для аннигиляции. Для разгона будет легче, зато захватываемое вещество будет немного тормозить разгон корабля, но все равно, можно достигать любой скорости, т.к. на выходе двигателя у нас скорость истечения равна с - скорости света). Также, рассматриваем ТОЛЬКО РАЗГОН.  Для торможения пойдет в миллионы раз меньше энергии аннигиляции, т.к. в нужный момент, выпустим "магнитный парашют", и тормозить будем с помощью его, и таким образом,  рассеяв, погасив 0,999999... своей кинетической энергии, затем, когда скорость упадет настолько, что магнитный парашют станет неэффективным, дожгем остатки антивещества (это будут миллионные доли от начальной массы) и остановимся в нужном месте. Также, рассматриваем  полет в один конец, т.к. прилетев в центр Галактики (или в другую галактику, Андромеды), мы высадимся на планету, и построим новые заводы по производству антивещества, и заправим корабль на путь обратно, если надо. 
2-й вопрос - какова будет стартовая светимость такого корабля, если он будет разгоняться с привычным ускорением 1g (и достигать околосветовых скоростей примерно за один год)?
 
----------
 
Вычислим сначала КПД "чистого" фотонного двигателя. Итак, значит, полезная масса у нас 100 тысяч тонн, включая остатки антивещества, которые надо потратить для торможения, уже с небольшой скорости, после того как мы погасим скорость с помощью "магнитного парашюта". Пусть даже в конечную точку путешествия придет только 50 тысяч тонн полезной массы, а остальные 50 тысяч тонн - это остаток антивещества для торможения, это не принципиальный вопрос. Все равно стартовая масса антивещества будет в тысячи раз больше чем эта полезная масса, разгон этой массы и будет определяющим для стартовой светимости такого корабля. Чтобы вычислить КПД "чистого" фотонного двигателя, мы посчитаем сначала (1) - какую кинетическую энергию будет иметь масса 100 тысяч тонн, в момент максимального разгона (0,9999995с), а затем (2) по релятивистской формуле Циолковского для ракеты, узнаем, какую массу антивещества+вещества надо аннигилировать, чтобы разогнать до такой скорости. Соотношение и даст нам КПД фотонного двигателя.

1) Вычислим кинетическую энергию полезной массы 100 тысяч тонн, на скорости 0,9999995с.
Масса покоя равна E=mc^2, где в стардартных единицах, E - энергия в Джоулях, m - масса в килограммах, и с - скорость в метрах в секунду. 1 кг массы покоя, имеет энергию 9*10^16 Джоулей. А наша полезная масса, 100 тысяч тонн - 9*10^24 Джоулей. Релятивисткая формула кинетической энергии
T = mc^2 * {(1/SQRT(1 - v^2/c^2))-1}. Значит, при такой скорости, кинетическая энергия будет больше чем энергия массы покоя, в 999 раз, т.е. 9*10^27 Джоулей, и выделится в результате аннигиляции 100 миллионов тонн массы (из них 50 миллионов тонн антивещества).

2) Релятивистская формула Циолковского для ракеты:
N = ((c+v)/(c-v))^(с/2V).
Где, N - соотношение полной стартовой массы и полезной массы. ^ - это возведение в степень. Малое v - это конечная требуемая скорость корабля, а большое V - это скорость истечения топлива (рабочего тела) из двигателя. У нас это фотоны, поэтому V=c, и степень равна 1/2. Формула становится проще -
N = SQRT((c+v)/(c-v)).
Где, SQRT - это корень квадратный. Т.к. требуемая скорость корабля в задаче равна 0,9999995с, мы получаем соотношение масс -
N = КОРЕНЬ((1+0,9999995)/(1-0,9999995)) = ~2000.
Значит, чтобы разогнаться до такой скорости, топлива будет в 2000 раз больше, чем полезной массы, это 200 миллионов тонн (из них 100 миллионов тонн антивещества).
 
Значит КПД ИДЕАЛЬНОГО фотонного двигателя составляет 50%, это если использовать параболическое зеркало для отражения половины энергии лучей  (КПД не равно 100%,  потому что не все излучение после аннигиляции падает на зеркало и толкает корабль - половина его вообще будет улетать в другую сторону не оказывая влияния на корабль).
 
Но у нас двигатель неидеальный - приходится отбрасывать ступени корабля, после расхода определенной массы антивещества (а до этого разгонять лишние массы), а также преодолевать некоторое сопротивление межзвездного газа - т.к. надо будет отклонять его в сторону (хотя это сопротивление и меньше, чем в случае когда мы выпустим "магнитный парашют", увеличивая площадь сечения, все таки какое то сопротивление он будет оказывать). Поэтому реальное количество антивещества для такого разгона можно смело умножать еще на 10, и мы получим окончательно - 1 миллиард тонн антивещества, нам понадобиться чтобы так разогнать корабль, и совершить межгалактический перелет. Это не такая уж "страшная" масса - такую массу имеет "кубик" воды, объемом 1 километр кубический.
 
 
Теперь посчитаем, какова будет стартовая светимость такого МЕЖГАЛАКТИЧЕСКОГО КОРАБЛЯ, несущего 1 миллиард тонн массы, и разгоняющегося с ускорением 1g. (стартовая светимость, понятное дело, будет максимальной за время полета, дальше по мере потери массы, она будет уменьшаться).  Чтобы разгонять массу 1 млрд тонн с ускорением 1g, надо давить на нее 1 миллиардов тонн-силы, т.е.  надо давить на эту массу, с силой 10^13 H (ньютонов). Какая при этом будет мощность отражаемого зеркалом света? Т.е. какова зависимость мощности энергии падающей световой волны, от давления в Ньютонах?
 
Есть формула P=W/C, где P - световое давление на поглощаемую поверхность (в ньютонах, а 1 килограмм силы - кгс, равен 10 Н), W - мощность в Ваттах, энергии от падающего света, и С - скорость света, в метрах в секунду. Это все стандартные единицы.   
Тогда W=P*C,
у нас сила давления P = 10^13 H (ньютонов),
и С = 3 * 10^8 метров/сек.
Значит мощность падающей энергии на тело должна быть 10^13 * 3 * 10^8 Ватт - это при падении на абсолютно черное тело, и в 2 раза меньше,
т.е. 1,5 * 10^21 Ватт - при падении на идеальное зеркало.
Но так как у нас ракета, и не все лучи после аннигиляции идут в одном направлении и падают на зеркало, толкая корабль, а половина вообще уходят в обратном направлении не оказывая влияния на корабль, то реально светимость корабля должна быть в 2 раза бОльшей, т.е. 3 * 10^21 Ватт.
   
Полная мощность излучения Солнца, то есть светимость Солнца 4 * 10^26 Ватт - величина постоянная.
 
Значит вывод такой - Наш МЕЖГАЛАКТИЧЕСКИЙ звездолет, который способен разогнать полезную массу 100 тысяч тонн, до скорости 0,9999995с, и получить релятивисткий эффект замедления времени в 1000 раз, и залететь в галактику Андромеды за 2000 лет, преодолев 2 млн световых лет, будет иметь стартовую светимость 
3 * 10^21 Ватт  из двигателя, что меньше чем светимость Солнца примерно в 133000 раз, т.е. светимость как у красного карлика, с абсолютной звездной величиной +18m.
 
Если учесть, что эта энергия падает на небольшое зеркало (пусть размерами в сотни метров), то получается, плотность энергии там будет ЧУДОВИЩНА. Если не изобрести идеальное зеркало, то ему придет быстрая "гибель". Или мощнейшая система охлаждения зеркала нужна, если хотя бы малая часть падающего излучения будет поглощаться.   С расстояния ближайших звезд, такой корабль можно будет рассмотреть в бинокль.
 
Правильно я все рассчитал?

[Skipper_NORTON]

Если идеальное зеркало так и не будет создано, то как уберечь его от сильного нагревания (как лучше всего организовать систему охлаждения)?

[Михаил_Сар_SARGOL]

Вы случаем фантастику не пишите. Очень полезные данные для НФ. Лично моё мнение, так я придерживаюсь теории путешествия через нуль-пространство. Из области фантастики конешно, но хотелось бы верить. Тогда бы и двигатель был не нужен такой мощный, и время путешествия бы не катировалось, в какой край галактики вы бы не отправились. Сории за флуд.

[Skipper_NORTON]

Ну, может через нуль-пространство было бы проще технически, зато непонятно как - теоретически.

[Михаил_Сар_SARGOL]

Как раз наоборот, теоритически возможно. А вот техника до такого ещё не дошла. Как думаете НЛО прилетают к нам? Используя световую скорость? И много жизненых циклов? Что-то верится с трудом. (Ну это если НЛО действительно с других звёздных систем). Я думаю они пользуются нуль-пространством.

[Skipper_NORTON]

Я написал "непонятно как - теоретически".  Если вы знаете как - изложите.  Если нет - то оно непонятно и вам  тоже. 
И с  НЛО - вам к уфологам, здесь астрономический форум.  Поэтому предлагаю не разводить тему про НЛО   

[xd]

Копий на эту тему сломано немало. Ряд вопросов настолько длинный, что страницы текста не хватит:
1. Откуда энергия на производства антивещества? При таком сценарии вся энергия должна запасаться на точке старта.
2. Что делать с проникающим излучением, для которого слой вещества будет прозрачным при такой скорости? Как долго протянут космонавты? У первого же поколения хоботы повырастают.
3. Энергия нужна не только на разгон, но и на торможение. Для разгона массы, хранящей энергию торможения, надо значительно большая масса "топлива" на разгоне.
4. Ну долетели до галактики, дальше что? На планету высаживаться?
5. Как быть с космонавтами, которые откажутся выходить на поверхность? За 2 тысячи лет цель полёта наверняка станет легендой.
6. Исходя из пункта 5, хранителем цели полёта должна быть автоматика. Какой сценарий полёта закладывается? Полагаемся на вмешательство людей (см. п. 5) или делаем всё на автомате? Как принимать решения по п.4?
7. Как будем строить экосистему на борту? Какой объём/масса для этого нужны?
ну и так далее...

[bob]

Копий на эту тему сломано немало.

Есть такой раздел на форуме. "Вселенная, Жизнь, Разум" называется. Там междузвёздные взрыволёты всяко-разные летают.

[Skipper_NORTON]

Откуда энергия на производства антивещества?

Получается,  полная энергия такого полета - это энергия аннигиляции 2 миллиардов тонн массы, это более  10^29  Джоулей.
Сколько же нужно потратить энергии, чтобы собрать 1 миллиард тонн антивещества?  (будет 1 километр кубический если плотность равна единице, как плотность воды).
Сейчас эффективность получения антивещества 1/10000000 во всех этих суперколлайдерах... То есть 0,00001% получаемых антипротонов  удается поймать в бак, в магнитную бутылку.  Предположим, этот результат будет улучшен в 10 раз, и одну миллионную часть античастиц удасться поймать.  Тогда КПД завода по производству антивещества вырастет до одной миллионной, значит, для того чтобы собрать 1 миллиард тонн антивещества, необходимое для такого полета межгалактического корабля, нужно будет на заводе по производству его - потрать энергию в миллион раз больше, чем получим на выходе, в результате аннигиляции, т.е.  10^35  Джоулей.
Это полная энергия, которую Солнце излучает примерно  за 8 лет.
 
Получается, чтобы накопить столько антивещества, и  запустить такой корабль, человечество должно собрать полную энергию Солнца, излучаемого за 8 лет!
Значит, такая задача под силу только цивилизациям II типа по классификации Кардашева - у цивилизации с рейтингом 2, мощность энергопотребления равна мощности излучаемой Солнцем, и через 8 лет, они смогут построить такой межгалактический корабль.

[konstkir]

Затея бессмыслена, т.к. нет ни одного плюса. Начиная с цели - зачем нужна Андромеда?

[Skipper_NORTON]

Что делать с проникающим излучением, для которого слой вещества будет прозрачным при такой скорости? Как долго протянут космонавты?

 
Вырастить генно-радиационно-устойчивую расу людей    Биология тоже не стоит на месте.
 

Ну долетели до галактики, дальше что? На планету высаживаться?

нет ни одного плюса

   
Плюс в том же, зачем когда то европейцы открывали и колонизировали Америку - колонизировать Вселенную.  Конечно, на первом этапе будет колонизация ближайших звезд, а только потом - соседних галактик, просто интересно было посчитать энергетические трудности такого полета.
Потом колонизировав планету, можно построить такой же завод для производства антивещества, и строить другие корабли, для других полетов.
 

[Якут]

В похожей теме уже задавал вопрос, повторю его здесь. Чем Вы собираетесь зондировать пространство на предмет обнаружения помехи? Или корабль способен без последствий проходить сквозь поток астероидов?

[Skipper_NORTON]

В похожей теме уже задавал вопрос, повторю его здесь. Чем Вы собираетесь зондировать пространство на предмет обнаружения помехи? Или корабль способен без последствий проходить сквозь поток астероидов?

 
Конечно, если попасть на крупное тело, то может быть катастрофа. Но вероятность этого, тем более в межгалактическом пространстве - ОЧЕНЬ мала.  Она настолько мала, что практически равна нулю - гораздо с бОльшей вероятностью человека может убить молнией, если он будет жить на Земле.  Поэтому бояться такого полета из-за вероятного столкновения с крупным телом не стоит.
А вот межзвездный газ, и  даже космическая пыль будет элементарно ионизироваться и  отклоняться "магнитной" системой защиты - это будет не проблема, если у нас под рукой такие огромные энергии, и миллиард тонн антивещества 

[Якут]

ОЧЕНЬ мала? Меня всегда смешат фантастические фильмы, в которых корабли представляют собой сборище надстроек, пристроек, рубок, сараев и прочая. Они попадают в метеоритные потоки и начинается светопреставление для экипажа и пассажиров.
Если такая вероятность существует, то не стоит полагаться на авось, а проектировать локацию параллельно с самим кораблём. Ибо потери такого корабля окажутся несопоставимы с разработкой локатора.

[Skipper_NORTON]

Энергия нужна не только на разгон, но и на торможение.

 
Уточню.  На торможение пойдут в тысячи раз меньшие энергии, чем на разгон. Потому что сначала мы выпустим "магнитный парашют" (идея возникла давно), и тормозить будем с помощью его (сопротивление межзвездного газа), и таким образом,  рассеем, погасим большую часть  своей кинетической энергии, и только затем, когда скорость упадет настолько, что магнитный парашют станет неэффективным, дожгем остатки антивещества (это будут тысячные  доли от начальной массы) и остановимся в нужном месте.
 
Также, рассматриваем полет -  в один конец, т.к. прилетев в нужное место, мы высадимся на планету, и построим новые заводы по производству антивещества, и заправим корабль на путь обратно, если надо.  Или для "ударной" колонизации следующих звездных систем.
 

Как будем строить экосистему на борту? Какой объём/масса для этого нужны?

 
Ну, в данной ситуации корабль имеет 100 тысяч тонн полезной массы - из нее можно построить нормальную экосистему.
 

Как быть с космонавтами, которые откажутся выходить на поверхность? За 2 тысячи лет цель полёта наверняка станет легендой.

 
К тому времени, наука достигнет того, что люди будут жить тысячелетиями, и они не забудут цели полета.  А вот корабль нескольких поколений - уже проблемнее - если завершать полет будут те, кто его не начинал и родился на корабле. Такие и вправду могут не принять цели полета   Они на это "не соглашались"

[Skipper_NORTON]

Если такая вероятность существует, то не стоит полагаться на авось, а проектировать локацию параллельно с самим кораблём. Ибо потери такого корабля окажутся несопоставимы с разработкой локатора.

 
Ну да, с такого корабля можно освещать нормально так... вперед. И если есть хорошие телескопы - можно детектить крупные тела, и уклоняться от них, или расстреливать мощным точно направленным (лазерным) потоком гамма-излучения.

[Diman]

"Затея бессмыслена, т.к. нет ни одного плюса. Начиная с цели - зачем нужна Андромеда?"

Точно, Щука по классификации А. Семёнова

[AlexOrex]

Если идеальное зеркало так и не будет создано, то как уберечь его от сильного нагревания (как лучше всего организовать систему охлаждения)?

Надо еще учесть, что то излучение (с преобладанием гамма и рентгена), что образуется при аннигиляции - не так-то просто отразить. Возможно, зеркало будет многослойным. Vsevolodson в теме по взрыволетам рисовал интересные многослойные паруса для отражения рентгена. Металлическое зеркало, поставленное к потоку излучения под острым углом, имеет 2 преимущества:
1. Воспринимает излучение большой площадью, другой стороной может излучать или отдавать тепло системам охлаждения.
2. При острых углах может отражать рентген, чем острее угол - тем короче волна.
Недостаток - вектор тяги направлен почти перпендикулярно курсу корабля. То есть надо делать минимум пару уравновешенных симметричных зеркал, крепко связанных.

Гамма-лучи, насколько знаю, отразить вообще не пытаются, их стараются поглотить и не пустить к полезной нагрузке (импульс при этом, понятное дело, передается). В результате получаются проекты звездолетов - нитей длиной в десяток километров, на которые нанизаны экраны из фольги, раскаленные докрасна.

ИМХО, технические особенности фотонных звездолетов надо обсуждать с цивилизацией хотя бы I-II типа по Кардашеву.

[Skipper_NORTON]

Можно конечно, пытаться разгонять еще больше, но там затраты энергии растут так быстро, что проект может быть "не по зубам" даже цивилизации II типа по классификации Кардашева.

[Якут]

И если есть хорошие телескопы - можно детектить крупные тела

Это при заявленной скорости? Каково будет минимальное расстояние обнаружения? Учитывая время реакции автоматики от момента обнаружения до запуска нужного двигателя, успеет ли корабль отклониться?