Поиск публикаций  |  Научные конференции и семинары  |  Новости науки  |  Научная сеть
Новости науки - Комментарии ученых и экспертов, мнения, научные блоги
Реклама на проекте

Итеративный космический бильярд Оберта

Пятница, 28 Сентябрь, 17:09, antihydrogen.livejournal.com
При терраформировании маловодных планет земной группы часто возникает необходимость доставки ледяных тел диаметром около 1000 км из пояса Койпера во внутреннюю часть Солнечной системы.


Обитатели купольного поселения на Марсе наблюдают за началом терраформирования

Решению данной актуальной проблемы в рамках энергетических возможностей современного человечества посвящена данная статья.


Оценка масштаба необходимых работ

Седну легче всего из известных крупных ледяных тел отправить во внутреннюю часть Солнечной системы. Скорость Седны в афелии – 350 м/с. Если в перигелии эту скорость у Седны отобрать, она по прямой упадет на Солнце. Правда, падение займет 5400 лет. Если отобрать не всю скорость и изменить ее направление – Седну можно отправить к любой планете.

Хочется, конечно, побыстрее (по неизвестным причинам, среди энтузиастов терраформирования считается, что терраформирвание за 1000 лет – это норм, а за 10000 лет – это уже чот слишком долго ждать…). Но, если брать тела внутренней части пояса Койпера, то для прямой отправки во внутрь СС у них надо отобрать около 4 км/с.

Более экономичный вариант – направить тело к Нептуну и совершить там гравитационный маневр. Наиболее интересны в этом смысле койпероиды, находящиеся с Нептуном в орбитальном резонансе 3:2 (т.е. которые делают два оборота вокруг Солнца за время, пока Нептун сделает три), например, Плутон или Орк.


Орбиты Нептуна (серая), Плутона (красная) и Орка (синяя)

Орк на каждом обороте проходит вблизи от орбиты Нептуна. Но, из-за орбитального резонанса, делает он это всегда в те моменты времени, когда Нептун находится далеко от данной точки своей орбиты (Орк никогда не приближается к Нептуну ближе чем на 18 астр.ед.). Если в момент прохода рядом с орбитой Нептуна Орк подтолкнуть, изменив его период обращения вокруг Солнца, его новая орбита будет по-прежнему пересекаться с орбитой Нептуна, но уже не будет находится в орбитальном резонансе 3:2. Тогда рано или поздно Орк сблизится с Нептуном.

При удачном подборе нового периода обращения Орка сближение произойдет уже на следующем его обороте. По моим расчетам, для этого нужно уменьшить период обращения Орка приблизительно на 40 лет. Необходимое для этого изменение скорости - 340 м/с. Сближение с Нептуном произойдет спустя 200 лет. Одного маневра у Нептуна скорее всего будет недостаточно для прямой отправки Орка к Марсу или Венере, потребуется целая серия маневров у планет-гигантов. Но на все уйдет меньше 1000 лет.

В общем, что для Седны, что для Орка, нам нужно изменение скорости около 350 м/с.


Изменение скорости ледяного койпероида с помощью термоядерной энергии

Прежде чем переходить к изложению нашего чудо-метода, оценим, сколько потребуется ресурсов, чтобы изменить скорость тела массой с Орка на 350 м/с путем прямого использования термоядерной энергии.

Советские шахтеры настолько суровы, что качают компрессорами в штольни не воздух для отбойных молотков, а дейтерий для термоядерных зарядов …
(скрин из книги «Мирные ядерные взрывы: обеспечение общей и радиационной безопасности при их проведении», стр. 139)

Например, так: делаем из дейтерия большие термоядерные бомбы, греем их взрывами поверхность тела, выделяющийся при испарении льда пар толкает тело. Скорость реактивной струи можем принять в 500 м/с. Это средняя скорость теплового движения молекул воды при 0С, пар приблизительно такой температуры будет получаться при сублимации льда в вакууме. Заметим, что наименьшие затраты энергии на изменение скорости достигаются в случае, если скорость реактивной струи равна необходимому изменению скорости тела, но при этом большая часть массы тела будет потрачена на реактивную струю.

Минимальное количество энергии, потребное для этого, содержится в 125 миллионах тонн дейтерия. Это если учитывать только энергию, необходимую для ускорения реактивной струи, считать, что пар вылетает строго в одну сторону, и пренебрегать всеми потерями. Это около одной стотысячной массы дейтерия, содержащегося в самом Орке. Но для его получения потребуется переработать много тысяч кубических километров воды (в американской системе единиц – это приблизительно объем озера Мичиган). Наработка такого количества дейтерия даже на Земле существенно превосходит возможности современного человечества.


Итеративный космический бильярд Оберта

Есть такие довольно многочисленные объекты – околосолнечные кометы (sungrazers), перигелии которых находятся на расстоянии менее 12 солнечных радиусов от Солнца, а афелии – очень далеко, в поясе Койпера. Зонд SOHO их видит чуть ли не ежедневно.

Околосолнечная комета (слева) на фотографии с зонда SOHO


В основном это мелкие тела, диаметром всего несколько десятков метров, и видны они только благодаря тому, что при испарении порождают ярчайшие комы. Но нет особых сомнений, что количество подобных посещающих близкие окрестности Солнца объектов гораздо больше того, что мы видим. Предполагается, среди них должно быть много старых выпаренных остатков комет диаметром около 1 км, которые выдерживают гораздо более высокие температуры, чем «свежие» кометы, и не создают комы.

Найдем подходящий сангрейзер диаметром около 100 м (и массой около миллиона тонн), перехватим его на большом расстоянии от Солнца (где его скорость маленькая), и высадим на него команду роботов с большим запасом ядерных зарядов. Когда сангрейзер будет проходить перигелий, серией внешних ядерных взрывов увеличим его скорость на 5 км/с. Пересчитывая из оценок для коррекции траектории Апофиса: для этого потребуются ядерные заряды суммарной мощностью около 300 мегатонн.

Допустим, для определенности, что перигелий на расстоянии 6 солнечных радиусов от центра Солнца. Тогда, благодаря эффекту Оберта, на большом расстоянии от Солнца скорость разогнанного сангрейзера будет около 50 км/с, в десять раз больше, чем приданное ему в перигелии увеличение скорости.

Пояснение для тех, кто не понимает сути эффекта Оберта: никакого нарушения закона сохранения энергии здесь нет. Вся дополнительная энергия, которую получает разгоняемое тело, компенсируется энергией, которая отбирается от вещества реактивной струи. Фактически, схема работает за счет энергии, которая получается при закидывании вещества реактивной струи в гравитационную яму Солнца.

Мелкими коррекциями направляем сангрейзер на какой-нибудь ледяной астероид с массой в несколько тысяч раз большей массы сангрейзера. Астероид-мишень выбираем такой, чтобы его было возможно перевести на орбиту близкого сближения с одной из планет гигантов, изменив его скорость на небольшую величину, для определенности – на менее 0.5 км/с (таких много).

По дороге распиливаем снаряд на несколько десятков тысяч кусков и выстраиваем их в цепочку, с таким расчетом, чтобы они попадали в мишень с промежутками времени между ударами много больше, чем диаметр_мишени/скорость_звука_в_веществе_мишени. Это нужно для того, чтобы мишень не разбило вдребезги при ударе. Во избежание полного разрушения, за один удар она должна получать меньшее количество энергии, чем ее собственная гравитационная энергия связи. Из этого следует, что приращение скорости при одном ударе должно быть много меньше второй космической скорости мишени. Для мелких тел диаметром в несколько сот метров она порядка 0.1 м/с.

Серия снарядов бьёт в мишень, вызывая выбросы пара. Если скорость истечения пара порядка 0.5 км/с (скорость молекул воды в паре при 0С), суммарной энергии снарядов хватит, чтобы выпарить приблизительно половину массы мишени и ускорить ее в желаемом направлении.

Желаемое направление таково, чтобы разогнанный астероид совершил гравитационный маневр у планеты-гиганта (или серию маневров у нескольких планет), который выведет его на орбиту с перигелием в нескольких радиусах от Солнца. Т.е. превращаем его в сангрейзер, но с массой в тысячу раз большей исходного. По дороге высаживаем на него команду роботов с некоторым количеством ядерных зарядов (последние – для мелких коррекций траектории).

А в перигелии сталкиваем его с серией снарядов, сделанных из еще одного, маленького естественного сангрейзера. Относительная скорость при столкновении на перпендикулярных курсах на 6 солнечных радиусах будет 350 км/с, так что энергии от столкновений получится много. Наша цель – ускорить мишень на 5 км/с. Чтобы масса и энергия тратилась эффективно, нужна скорость истечения того же порядка. Для получения такой скорости истечения, можно отрезать небольшие кусочки мишени, отводить на небольшое расстояние позади и ударять снарядами именно по ним (тогда скорость истечения будет определяться тем, сколько энергии придется на единицу массы куска-мишени).

После ускорения мишени на 5 км/с, за счет эффекта Оберта она приобретет скорость на бесконечности около 50 км/с (да, похожий текст уже был выше). Теперь она сама стала снарядом. Направляем его на ледяной астероид с массой в тысячу раз большей. По дороге распиливаем снаряд на тысячу частей (у нового астероида-мишени примерно в 10 раз большая вторая космическая скорость, чем у предыдущего, благодаря чему можно делать большее ускорение за 1 удар). Ледяной астероид мишень переводим на орбиту сближения с планетой-гигантом, и серией гравиманевров переводим его орбиту с маленьким перигелием. Теперь у нас есть искусственный сангрейзер в миллион раз тяжелее исходного.

Как видим, на каждой итерации мы увеличиваем массу управляемого тела в тысячу раз, а радиус – примерно в 10. Таким темпами, начав с сангрейзера диаметром 100 метров, можно добраться до тел размером с Плутон всего за 4 итерации. Но по мере увеличения масштабов у нас возникнут новые проблемы.

Как можно видеть, для одной итерации телу нужно два сеанса ускорения: на 0.5 км/с вдали от Солнца и на 5 км/с в перигелии. То есть на ускорение одного тела тратится два тела. На первых нескольких итерациях для сеанса ускорения в перигелии можно использовать термоядерные заряды и естественные сангрейзеры. Но естественные сангрейзеры с диаметром более 1км редки. Так что для разгона тел с диаметром более 10км придется строить «пирамиду»: разгонять два тела, чтобы разогнать третье. Но поскольку итераций нужно мало, «пирамида» получится не очень широкой.

Расходные материалы для перемещения 1000км койпероида:
Один 100км ледяной астероид
Два 10км ледяных астероидов
Два 1км ледяных астероидов
Два 1км «естественных» сангрейзера
Четыре 0.1км «естественных» сангрейзера
Ядерные заряды суммарной мощностью несколько гигатонн.

Еще понадобится несколько 10км и 1км астероидов для коррекции движения койпероида на пути к Нептуну и после (с соответствующим количеством исходников для их разгона). Траектории шаров в биллиардах, в том числе и космических, неустойчивы относительно малых погрешностей начальных условий, так что коррекции необходимы.

Необходимое оборудование и компетенции:
1) системы управления, способные навести снаряд, двигающийся со скоростью в сотни км/с, на мишень с площадью в 10-100 м2;
2) способность предсказать, как поведет себя тело сложной формы и состава при ударе по нему;
3) установки для бурения астероидов (для разделения на куски их придется аккуратно взрывать изнутри!);
4) планетолеты для доставки всего этого на астероиды вдали от Солнца;
5) разное.
И это на все те сотни лет, которые будет длиться процесс.


Заключение

Итеративный космический бильярд Оберта (ИКБО) требует в миллионы раз меньших ресурсов, чем прямой метод, если их сравнивать по суммарной мощности задействуемых термоядерных зарядов. ИКБО работает за счет энергии, получающейся благодаря сбрасыванию части вещества в гравитационную яму Солнца.

Читать полную новость с источника 

Комментарии (0)