Ideale Größe für ein relativistisches Generationsschiff?

Einen ersten Richtwert für die Schiffsgröße des größten Kreuzfahrtschiffes der Erde erhalten Sie heute:

Das neueste Schiff von Royal Caribbean, Harmony of the Seas, debütiert am Freitag auf seiner vor der Eröffnungsfahrt aus Southampton, England. Mit einem Gewicht von 226.963 Bruttoregistertonnen, einer Passagierkapazität von 5.479 Gästen bei Doppelbelegung (insgesamt passen 6.780 Gäste) und 2.100 Besatzungsmitgliedern ist die Harmony heute das größte Kreuzfahrtschiff der Welt.

So hat ein Kreuzfahrtschiff etwa 26 Tonnen Verdrängung pro Person an Bord mit ziemlich viel Gedränge und nur etwa einer Woche Versorgung mit Lebensmitteln, aber auch mit Treibstoff und Maschinenraum zusätzlich zu den Bereichen, die besetzt werden sollen (wir müssen Berücksichtigen Sie in diesem Fall Kraftstoff und Motorraum getrennt, da sich die Kraftstoff- und Motoranforderungen eines interstellaren Schiffs stark von denen eines Kreuzfahrtschiffs unterscheiden).

Im Vergleich dazu sind die Flugzeugträger der Nimitz-Klasse die größten jemals gebauten Kriegsschiffe mit 102.000 Tonnen und über 6.000 Mitarbeitern, was ungefähr 17 Tonnen pro Person für Touren entspricht, die normalerweise sechs Monate am Stück dauern, mit weniger Treibstoff (da sie nuklear angetrieben werden - Ein Flugzeugträger kann sich vor dem Auftanken etwa 30 Jahre lang selbst betreiben, aber nicht ohne Treibstoff, weil er Treibstoff für Flugzeuge hat), sondern mit Platz für Flugzeuge, der auf einem interstellaren Raumschiff nicht so notwendig wäre (obwohl sicherlich einige Landungsboote benötigt würden). ).

Aber Sie würden nicht falsch liegen, wenn Sie schätzen, dass Sie für eine mehrjährige Reise im Gegensatz zu einem schwachen langen Urlaubsausflug oder einer sechsmonatigen Tour für jemanden, der die Härte eines Soldaten hat, mindestens 45 Tonnen pro Person benötigen würden Person Wohnfläche pro Person.

Um die Bevölkerung von Seattle (mit einer Bevölkerung von etwa 652.000) zu ernähren, braucht es ungefähr 10.600 Quadratmeilen Ackerland, auf dem Getreide wächst, während die Stadt selbst weniger als 84 Quadratmeilen Landfläche hat und nicht alles davon Ackerland ist (dh Land, auf dem Getreide angebaut werden kann). Das sind etwa 10 Hektar pro Person. Und jede interstellare Reise muss den größten Teil ihrer eigenen Nahrung anbauen (mit künstlichem Licht, da das Sternenlicht zu schwach ist). Selbst wenn Sie wesentlich effizienter sein könnten als die terrestrische Landwirtschaft auf der Erde, die nicht für die extrem knappen Flächen optimiert ist, benötigen Sie wahrscheinlich um eine Größenordnung mindestens einen Hektar Fläche pro Person für die Nahrungsmittelproduktion.

Hochmoderne terrestrische Anbautechniken und eine vegane Ernährung belassen Sie bei etwa 2 Hektar pro Person . Die optimistischsten Schätzungen, die ich gesehen habe, liegen bei nur 1/4 bis 1/8 Acres pro Person, aber einige der Annahmen, die darin einfließen, sind in der Praxis nicht gut bewiesen oder demonstriert. Eine Schätzung von 1 Acre pro Person ist also ein ziemlich vernünftiger Mittelweg.

Wenn Sie jedoch wirklich ein Schiff wie dieses bauen würden, würden Sie viel in die Verbesserung der landwirtschaftlichen Produktivität pro Quadratmeter investieren wollen, da jedes Prozent der Reduzierung die Schiffsgröße und -kosten um 1 % verringert. Wenn Sie mit 1/2 Acre statt 1 Acre genug Nahrung pro Person produzieren können, können Sie die Größe des Schiffes halbieren.

Ein 102.000 Tonnen schwerer Flugzeugträger hat etwa 4,5 Hektar Decksfläche . Pro Person bräuchten Sie also zusätzlich zu den 45 Tonnen Wohnfläche etwa 22.700 Tonnen Lebensmittelproduktionsfläche.

In runden Zahlen würden Sie also 23.000 Tonnen pro Kopf an Wohnfläche und Nahrungsproduktionsfläche und Kernenergieproduktion für lebenserhaltende Operationen von Schiffen sprechen, um sie zu ernähren und zu beherbergen, unter der Annahme einer Größenordnungsverbesserung der Lebensmittelproduktion pro Quadratfuß relativ auf die Erde wäre möglich (z. B. indem weniger effiziente tierische Nahrung im Verhältnis zu effizienterer pflanzlicher Nahrung proportional reduziert wird).

Ich nehme an, dass "Millionen von Menschen" 2 Millionen bedeutet, um hier eine Anzahl zu haben, mit der man arbeiten kann, also bräuchte man vorher mindestens 46 Billionen Tonnen Wohn- und Lebensmittelproduktionsraum (der immer noch ziemlich eng wäre). unter Berücksichtigung von Kraftstoff und Motoren.

Sie können Ihr Schiff so groß machen, wie Sie möchten, denn für sehr große interstellare Raumschiffe wird die Menge an Treibstoff und Motor, die pro Tonne Wohnfläche benötigt wird, nahezu konstant sein.

Hier gibt es einen weiteren beweglichen Teil. Mit mehr Kraftstoff können Sie schneller fahren, mit weniger Kraftstoff wird Ihre Geschwindigkeit begrenzt (die Motorgröße ist ziemlich gleichgültig, da die Schlüsselfrage darin besteht, wie lange Sie sie mit einer Beschleunigung von 1 G betreiben, nicht in der Höhe der Spitzenbeschleunigung, die Sie erzeugen können). Wenn Sie beispielsweise entschieden haben, dass 95 % des Schiffs für Treibstoff und Motoren verwendet werden, um angesichts der verfügbaren Technologie (was auch immer das am Ende sein mag) eine nahezu maximale Spitzengeschwindigkeit zu erreichen, dann haben Sie ein Schiff mit 2 Millionen Menschen, das beim Start ist 1 Billiarde (dh 10^18 kg) Hubraum. Im Vergleich dazu hat ein Flugzeugträger eine Verdrängung von 10^8 kg. Dieses Schiff müsste also so groß sein wie etwa 10 Milliarden Flugzeugträger .

Ein neuer Flugzeugträger (was angesichts seiner Größe und technologischen Raffinesse ein vernünftiger Vergleich ist) kostet etwa 13 Milliarden Dollar (ohne Flugzeuge). Dieses Schiff würde also etwa 1,3 * 10^20 Dollar kosten, was 130 Trillionen Dollar entspricht (dh 130 Millionen Mal eine Billion Dollar). Zum Vergleich: Die gesamte Staatsverschuldung der USA beträgt etwa 19 Billionen Dollar . Das würde also etwa das Sechseinhalbmillionenfache der gesamten US-Staatsverschuldung kosten.

Und ehrlich gesagt sind sowohl die Schiffsgröße als auch die Kosten ziemlich knappe Schätzungen.

UPDATE: Ein neuer wissenschaftlicher Artikel geht genauer darauf ein. Es geht davon aus, dass ein Generationsschiff einen Radius von 224 Metern und eine Länge von 320 Metern haben kann, mit einer Bevölkerung von 500 Menschen, die über Jahrhunderte stabil bleiben kann.

Numerische Beschränkungen für die Größe von Erzeugungsschiffen aus dem Gesamtenergieverbrauch an Bord, der jährlichen Nahrungsmittelproduktion und den Techniken der Weltraumlandwirtschaft

F. Marin, C. Beluffi, R. Taylor, L. Grau

(Eingereicht am 28. Januar 2019)

In den ersten Artikeln unserer Serie über Schiffe der interstellaren Generation haben wir gezeigt, dass der numerische Code HERITAGE in der Lage ist, die Erfolgsrate von Mehrgenerationen-Weltraummissionen zu berechnen. Dank der von uns untersuchten sozialen und züchterischen Einschränkungen kann eine Mehrgenerationen-Crew nach Jahrhunderten der Weltraumreise sicher einen Exoplaneten erreichen, ohne das Risiko einer Blutsverwandtschaft oder genetischer Störungen. Wir wenden uns nun einer ebenso wichtigen Frage zu: Wie ernährt man die Besatzung? Getrocknete Lebensmittelvorräte sind keine praktikable Option, da sich die Vitamine mit der Zeit verschlechtern und die enormen Mengen für eine Langzeitlagerung erforderlich wären. Die beste Option beruht auf der Landwirtschaft an Bord des Raumschiffs. Mit einer aktualisierten Version von HERITAGE, die jetzt altersabhängige biologische Merkmale wie Größe und Gewicht berücksichtigt, und Merkmalen im Zusammenhang mit der unterschiedlichen Anzahl von Kolonisten, wie Unfruchtbarkeit, Schwangerschafts- und Fehlgeburtsraten, können wir den jährlichen Kalorienbedarf an Bord nach dem Harris-Benedict-Prinzip abschätzen. Durch den Vergleich dieser Zahlen mit konventionellen und modernen landwirtschaftlichen Techniken sind wir in der Lage, die Größe des künstlichen Landes vorherzusagen, das dem Schiff für landwirtschaftliche Zwecke zugewiesen werden soll. Wir stellen fest, dass für eine heterogene Besatzung von 500 Menschen, die sich von einer alles fressenden, ausgewogenen Ernährung ernähren, 0,45 km2 künstliches Land ausreichen würden, um alle notwendigen Lebensmittel mit einer Kombination aus Aeroponik (für Obst, Gemüse, Stärke, Zucker und Öl) und konventionelle Landwirtschaft (für Fleisch, Fisch, Milchprodukte und Honig). Wir können den jährlichen Kalorienbedarf an Bord nach dem Harris-Benedict-Prinzip abschätzen. Durch den Vergleich dieser Zahlen mit konventionellen und modernen landwirtschaftlichen Techniken sind wir in der Lage, die Größe des künstlichen Landes vorherzusagen, das dem Schiff für landwirtschaftliche Zwecke zugewiesen werden soll. Wir stellen fest, dass für eine heterogene Besatzung von 500 Menschen, die sich von einer alles fressenden, ausgewogenen Ernährung ernähren, 0,45 km2 künstliches Land ausreichen würden, um alle notwendigen Lebensmittel mit einer Kombination aus Aeroponik (für Obst, Gemüse, Stärke, Zucker und Öl) und konventionelle Landwirtschaft (für Fleisch, Fisch, Milchprodukte und Honig). Wir können den jährlichen Kalorienbedarf an Bord nach dem Harris-Benedict-Prinzip abschätzen. Durch den Vergleich dieser Zahlen mit konventionellen und modernen landwirtschaftlichen Techniken sind wir in der Lage, die Größe des künstlichen Landes vorherzusagen, das dem Schiff für landwirtschaftliche Zwecke zugewiesen werden soll. Wir stellen fest, dass für eine heterogene Besatzung von 500 Menschen, die sich von einer omnivoren, ausgewogenen Ernährung ernähren, 0,45 km2 künstliches Land ausreichen würden, um alle notwendigen Lebensmittel mit einer Kombination aus Aeroponik (für Obst, Gemüse, Stärke, Zucker und Öl) und konventionelle Landwirtschaft (für Fleisch, Fisch, Milchprodukte und Honig).

Kommentar: 12 Seiten, 14 Abbildungen, 3 Tabellen, zur Veröffentlichung in JBIS angenommen

Fächer: Populäre Physik (physics.pop-ph); Instrumentierung und Methoden für

Astrophysik (astro-ph.IM)

MSC-Klassen: 85-04, 91C99

ACM-Klassen: J.2; K.4

Zitieren als: arXiv:1901.09542 [physics.pop-ph]

(oder arXiv:1901.09542v1 [physics.pop-ph] für diese Version)

Die ausgezeichnete Antwort von @ohwilleke beschreibt deutlich die Skalierungsprobleme, die dem Bewegen von Millionen von erwachsenen und hellwachen Menschen innewohnen.

Wenn Sie von der Mehrheit Ihrer Reisenden nur genetische Vielfalt erwarten, sollten Sie erwägen, alle bis auf ein paar Tausend als gefrorene befruchtete Embryonen zu versenden. Dann kryogene Suspendierung aller außer den wenigen Dutzend, die für den Betrieb des Schiffes benötigt werden. Stellen Sie sicher, dass diese lebende Besatzung ausnahmslos weiblich ist und sich in jeder Generation befindet, damit sie ihren eigenen Besatzungsersatz austragen, gebären und anschließend ausbilden kann, indem sie einen Teil des Schiffsvorrats an befruchteten weiblichen Embryonen verwendet.

Wenn Ihr Schiff nun endlich sein Ziel erreicht, kann die aktuelle Crew-Generation Tausende von eingefrorenen Erwachsenen aufwecken und ihnen helfen, die erste Siedlung aufzubauen. Dann können sich alle daran machen, aus den Embryonenbanken Babys zu machen. In ein paar Generationen werden alle Ihre Millionen Kolonisten auf einer wunderbaren neuen Welt leben.

Meine Antwort wird sich auf den Energiebedarf Ihres Schiffes konzentrieren, der sich auf die relative Menge an Platz bezieht, die Sie benötigen, um das Schiff an sein Ziel zu bringen und Ihre Leute mit Strom zu versorgen.

Zusammenfassung

Solarenergie ist nutzlos, also mach dir keine Sorgen. Entweder Antimaterie- oder Fusionsreaktoren wären für den Energiebedarf des Personals vollkommen nützlich und würden nur einen sehr vernachlässigbaren Anteil an der Gesamtgröße und -masse des Schiffes ausmachen.

Ihr 1 Gramm Antimaterie pro Tag wird mindestens 2 Millionen Menschen unterstützen. Es wird auch ein totales Handwinken erfordern, um diesen Mittelflug zu erreichen.

Jede Art von Kernfusion und ein dürftiges Gramm Antimaterie pro Tag sind jedoch für den Antrieb des Schiffes völlig wertlos, vorausgesetzt, wir erreichen innerhalb von 10 Jahren die Höchstgeschwindigkeit. Wenn Sie möchten, dass es viel länger dauert, ist dies möglicherweise möglich, aber ich habe das nicht berechnet.

Sie müssen etwa 10 % der Antimaterie Ihres Schiffs in 10 Jahren auf 0,1 c bringen oder etwa 350 % der Antimaterie Ihres Schiffs in 10 Jahren auf 0,9 c bringen. Ich glaube nicht, dass 0,99 c ohne extreme Fortschritte in der Antriebstechnologie auch nur annähernd machbar sind.

So viel Antimaterie würde ein paar Milliarden mal das aktuelle Alter des Universums benötigen, um mit den aktuellen Raten produziert zu werden, also brauchen Sie viel bessere Technologie. Dennoch gibt die Sonne viel Energie ab, um dies zu erreichen, wenn Sie genügend Generatoren bauen können.

Fusionskraft

An diesem Punkt befinden wir uns außerhalb des Bereichs der harten Wissenschaft. Wir wissen im Allgemeinen, wie Fusion funktioniert , aber wir haben es noch nie in einem Labor in nachhaltiger Form gemacht. (Wir haben eine Fusion durchgeführt, aber es braucht mehr Energie, als die Fusion produziert, also ist es ein großartiges Experiment, aber als Energiequelle völlig wertlos.)

Allerdings wird geschätzt, dass dieses MIT-Experiment viel Energie produziert, wenn sie es jemals zum Laufen bringen.

Ein funktionierender ARC-Fusionsreaktor würde 50 Megawatt (MW) Leistung verbrauchen, um 500 MW Fusionsleistung zu erzeugen, von denen 200 MW in das Netz eingespeist werden könnten. Das reicht aus, um 200.000 Menschen mit Strom zu versorgen.

Der Reaktor selbst hat einen Durchmesser von etwa 1 Meter, sodass wir uns nicht allzu viele Gedanken über seine Masse machen müssen. Die Infrastruktur für den Reaktor von ITER ist etwa drei Stockwerke hoch, aber ein paar Dutzend Räume im Wert von Platz für jeweils 200.000 Menschen sind vernachlässigbar.

Schätzungen des Culham Center for Fusion Energy

Ein großes Kraftwerk mit einer Leistung von 1.500 Megawatt würde täglich etwa 600 Gramm Tritium und 400 Gramm Deuterium verbrauchen.

Das entspricht etwa 0,243 kg Brennstoff pro Megawatt und Jahr. Angesichts der Zahl von 1 MW pro tausend Einwohner im MIT-Artikel sind das 243 kg Kraftstoff pro Million Einwohner pro Jahr, was ziemlich vernachlässigbar ist.

Antimaterie-Kraft

Wie ich in der Antwort auf diese andere Frage von Ihnen (und in John Dallmans Kommentar oben) betont habe, macht die Schaffung von Antimaterie zur Verwendung als Energiequelle keinen Sinn. Die Energie, die verwendet wird, um die Antimaterie zu erzeugen, ist millionen- bis milliardenfach höher als das, was man schließlich aus der Antimaterie-Vernichtung herausholt.

Sie könnten eine Art hypothetisches Gerät verwenden, das Antimaterie mit vollständigem Handwavium sammelt (sagen wir, es hängt genug Antimaterie im interstellaren Raum herum, dass Sie sie einfach auf dem Weg vorbei greifen können, oder Nullpunktenergie ). In diesem Fall können wir die Energie aus 1 Gramm pro Tag berechnen (etwa 50 Gigawattstunden pro Tag , was einer Gesamtleistung von etwa 2 GW entspricht ). Aber nichts davon ist auch nur annähernd harte Wissenschaft.

Aus dem Abschnitt über Fusionsenergie geht hervor, dass Menschen, die im modernen Boston leben, etwa 1 MW pro tausend Einwohner verbrauchen, 2 GW würden 2 Millionen Menschen versorgen. Diese Zahl wäre in einem echten Generationenschiff wahrscheinlich viel niedriger, da die Menschen lernen würden, mit weniger mehr zu erreichen. Trotzdem ist es eine gute Obergrenze.

Wichtig ist, dass ein Gramm pro Jahr pro 2 Millionen Menschen bedeutet, dass die normale Materiemasse, die Sie benötigen, um die Materie zu vernichten, vernachlässigbar ist. Vermutlich hätten Sie eine Art Reaktor, der Platz und Masse benötigt, aber da wir keine Antimateriesammler und/oder -generatoren haben, ist es schwer, genau zu sagen, wie viel. Ich nehme an, es ist ungefähr dasselbe wie ein Fusionsreaktor.

Ohne Handwavium müssten Sie die Antimaterie mitbringen. Die Menge von 0,5 g pro Jahr pro 2 Millionen Menschen wird in Bezug auf Größe und Masse völlig vernachlässigbar sein, aber einige sehr fortschrittliche Mittel erfordern, um tatsächlich so viel Antimaterie zu produzieren.

Solarenergie

Außerdem sind Solarmodule, wie in John Dallmans Kommentar erwähnt, wahrscheinlich eine riesige Verschwendung. In 93 Millionen Meilen Entfernung von der Sonne sehen wir etwa 1,3 kW pro Quadratmeter. Bei 0,1 °C über eine einzelne Generation (etwa 28 Jahre ) würden Sie etwa 16 Billionen Meilen zurücklegen , was ungefähr der Hälfte des Weges zum nächsten Stern entspricht. Die Ausgangsleistung nimmt mit dem Quadrat der Entfernung ab, Sie sehen also etwa 44 Nanowatt pro m² bei dieser Entfernung und durchschnittlich 7,6 Milliwatt pro m² über die Strecke.

Selbst wenn Sie irgendwie in einer Linie fliegen könnten, die Sie wirklich nah an jeden Stern bringt, an dem Sie vorbeikommen, liegt Ihr bester Fall bei etwa 1,6 Watt pro m² , vorausgesetzt, Sie berühren buchstäblich die Oberfläche jedes Sterns auf dem Weg vorbei.

Um fair zu sein, nicht alle Sterne sind in der Leistungsabgabe wie unsere, aber die Sonne ist tatsächlich die obersten 10 % der Masse, sodass Ihr realistischer Sonneneinfluss sogar noch geringer sein wird als die obigen Berechnungen. Darüber hinaus wird Ihr realistischer Pfad wahrscheinlich wesentlich weiter von nahen Sternen entfernt bleiben als die obigen Berechnungen, was die durchschnittliche Leistung weiter senkt.

Typische Sonnenkollektoren von Sunmetrix sind 10-20 kg pro m². Beim unteren Wert sehen Sie etwa 6 Millionen kg pro Megawatt ) im besten Fall, wenn Sie bis zu sonnenähnlichen Sternen heranzoomen.

Zusätzlich zu den Massenproblemen müssen Sie eine Möglichkeit haben, sie über eine enorme Fläche zu verteilen, ohne durch das Drehmoment zu scheren oder zu falten. Ein Megawatt sind im besten Fall 600.000 Quadratmeter. Das passt in einen Kreis mit einem Radius von 437 Metern .

Wenn das Schiff mit 0,01 g beschleunigt, benötigt ein 1 m² großes Stück am Rand mit seiner Masse von 10 kg etwa 1 N Kraft, um es an Ort und Stelle zu halten. Bei 437 Metern vom Zentrum sind das 437 Nm Drehmoment pro m². Es gibt ungefähr$2\pi r$davon 1 m² Abschnitte um den Außenradius. Dann$2\pi (r-1)$Abschnitte um einen etwas kleineren Abschnitt. Wenn wir das in ein Integral umwandeln, erhalten wir etwa 600.000 Nm Drehmoment in der Mitte der Scheibe.

Sie könnten wahrscheinlich die Drehmomentprobleme für eine 437-Meter-Scheibe lösen, indem Sie Stützstrukturen usw. verwenden. Aber Sie brauchen tausend solcher Scheiben für jede Million Menschen auf Ihrem Schiff. Und realistischerweise sehen Sie etwas näher an der Zahl von 44 nW pro m². Das erfordert etwa 23 Billionen m² Paneele pro MW oder 23 Billiarden m² Paneele pro Million Einwohner. Das endet mit einem Array mit einem Radius von 151.000 km , das etwa 16% der Fläche zwischen der Erde und der Umlaufbahn des Mondes einnimmt. Das Gesamtdrehmoment beträgt ca$72\cdot10^{15}N-m$und das kommt man wirklich nicht mit zusätzlichen Stützen herum, es sei denn, Ihr gesamtes Schiff ist ungefähr so ​​​​groß.

Als Randnotiz haben Solarmodule einen Best-Case-Wirkungsgrad von etwa 86 % und liegen realistischerweise bei etwa 50 %. Ihre fortgeschrittenen Leute könnten wahrscheinlich 70-80% erreichen, aber das ist ziemlich trivial, wenn überhaupt so wenig Sonnenlicht verfügbar ist.

Beschleunigungsenergieanforderungen

Ok, also brauchen wir für die Fusions- und Antimateriereaktoren im Vergleich zum Energieverbrauch des Personals eine vernachlässigbare Menge an zusätzlichem Platz. Aber wir müssen das Schiff noch beschleunigen.

Um in zehn Jahren 0,1 c zu erreichen, brauchen wir etwa 0,1 g Beschleunigung.

Um eine Megatonne Masse auf 0,1 c zu bringen, brauchen wir ca$4.49\cdot10^{23} J$. Dafür werden etwa 5 Millionen kg oder fünf Kilotonnen Energie benötigt.

Für das Antimaterie-Antriebssystem ist die zusätzliche Masse für den Antrieb mit etwa 0,5 % ziemlich vernachlässigbar.

Für die Kernfusion erhalten wir etwa 1,5 GJ pro kg Brennstoff. Das bedeutet etwa$3\cdot10^{14}kg$von Kraftstoff. Das bedeutet, dass etwa 3 Teile pro Million der Masse des Raumschiffs Nutzlast sind; der Rest ist Treibstoff. Also wirklich, Antimaterie-Raketen sind der einzige Weg, wie wir dieses Schiff auf 0,1 c bekommen.

Wenn wir die Reisegeschwindigkeit auf 0,9 c erhöhen, benötigen wir Energie im Wert von 0,4 Megatonnen . Das ist enorm, aber machbar, in dem Sinne, dass Ihre Rakete immer noch 71% Nutzlast hat .

Andererseits ist es verrückt, 0,2 Megatonnen Antimaterie zu bekommen. Mit den derzeitigen Herstellungsmethoden für Antimaterie, die das 15-Milliardenfache der Massenenergie der Antimaterie verwenden, um sie zu erzeugen, mit einer Rate von 1 Milliarde Jahren pro Gramm, bräuchten Sie etwa das 22-fache der jährlichen Energieabgabe der Sonne und viel mehr Teilchenbeschleuniger als wir derzeit müssen es vollenden, bevor die Sonne stirbt. Das ist eine extrem fortschrittliche Technologie, aber sie erscheint einer ausreichend fortgeschrittenen Gesellschaft plausibel.

Laut Wikipedia haben chemische Raketen eine Energieeffizienz von etwa 60%. Antimaterie-Raketen haben einen Wirkungsgrad zwischen 10 und 85 % . Aber es spielt wirklich keine Rolle; Antimaterie wird eine vernachlässigbare Masse haben, die Fusion wird viel zu hoch sein.

Reaktionsmasse

Jetzt benötigen Sie eine Reaktionsmasse, die davon abhängt, wie viel Energie Sie in jedes Teilchen einbringen können, und ist gegeben durch $M=P\left(e^{\frac{\Delta v}{v_e}}-1\right)$, wo$M$ist Reaktionsmasse,$P$ist Nutzlastmasse,$\Delta v$ist die Änderung der Raumschiffgeschwindigkeit, und$v_e$ist die Abgasgeschwindigkeit.

Wir haben eingestellt$\Delta v=0.1c$. Von dieser Seite aus haben Antimaterie-Raketen einen spezifischen Impuls von 0,6 c. Soweit ich das beurteilen kann, verwenden sie "spezifischen Impuls", um "effektive Abgasgeschwindigkeit" zu bedeuten$v_e=0.6c$. Setzen wir dies in die Gleichung ein, erhalten wir 18 % P . Um eine Endgeschwindigkeit von 0,9 c zu berechnen , müssen etwa 78 % des Schiffs Reaktionsmasse sein.

Wenn wir eine dichte Reaktionsmasse verwenden, bedeutet dies, dass die tatsächliche Größe des Raumschiffs nicht stark von der Reaktionsmasse beeinflusst wird. Und das Hinzufügen von 20% Masse zum Schiff ist im großen Schema der Materialanforderungen nicht besonders erheblich.

Von hier aus haben Fusionsraketen Abgasgeschwindigkeiten von bis zu 700 km/s oder etwa 0,0023 c . Dies erhöht unsere erforderliche Reaktionsmasse erheblich (etwa 7 Milliarden Milliarden P). Damit machen wir auf keinen Fall etwas.

Wenn Ihre Leute also Fusionsreaktoren verwenden, um das Raumschiff anzutreiben, müssen Sie davon ausgehen, dass sie viel höhere Abgasgeschwindigkeiten erreichen. Etwa 0,14 c sind erforderlich, um die Reaktionsmasse niedriger als die Nutzlastmasse zu halten. Dies scheint für eine fortgeschrittene Gesellschaft vernünftig genug, aber wir haben derzeit keine Mittel, um dies zu erreichen. Nicht dass die Fusion jemals eine echte Wahl gewesen wäre, wenn man bedenkt, wie viel Masse wir brauchen, um sie anzutreiben.