Interne Massentreiber hochskalieren?

Interne Massentreiber sind aufgrund der sofortigen Verfügbarkeit von Reaktionsmasse ein potenziell nützlicher Weltraumantrieb (Sie können alles von Ersatzteilen bis hin zu buchstäblichem Schmutz als Treibmittel verwenden, vorausgesetzt, Sie haben einen ferromagnetischen Eimer, den Sie am Ende verlangsamen und abrufen). Bei langen Fahrten, bei denen die Ressourcennutzung vor Ort möglicherweise nicht verfügbar ist, insbesondere Fahrten mit Schiffen der interstellaren Generation, würde man jedoch eine höhere Abgasgeschwindigkeit wünschen, um die Kraftstoffeffizienz des Antriebs zu maximieren.

Die hervorragende Atomic Rockets-Site enthält diese Statistik für einen Massenfahrer, aber die Abgasgeschwindigkeit von 30 km/s ist für ein interstellares Raumschiff nicht ganz ausreichend, selbst wenn Sie Ihr Fahrzeug einfach an einen praktischen kleinen Asteroiden schnallen, um es zu verwenden für Kraftstoff. Wenn wir die Länge des Laufwerks gemäß der Gleichung mit zehn multiplizieren würden v F 2 = v ich 2 + 2 A Δ D (relativistische Effekte sind bei diesen Geschwindigkeiten vernachlässigbar, also können wir sie ignorieren), für einen Massenfahrer mit der gleichen Beschleunigung, aber zehnmal länger, erhalten wir eine Abgasgeschwindigkeit von etwas unter 95 km/s, was um einiges schöner ist, obwohl wir die Masse des Antriebs und seiner Kraftquelle um den Faktor zehn erhöhen mussten, um die Abgasgeschwindigkeit um einen Faktor von etwas mehr als drei zu erhöhen. Allerdings weiß ich nicht, ob es tatsächlich möglich ist, einen Massentreiber so zu skalieren, wie ich es beschrieben habe.

Wäre es möglich, einen Mass Driver zu vergrößern, indem man ihn einfach länger macht? Gibt es Faktoren, die erfordern würden, dass die Masse stärker zunimmt, als dies aus einer einfachen „länger machen“-Perspektive angenommen würde? Gibt es noch andere Faktoren, die ich hier nicht berücksichtige?

Wenn Sie ablehnen, wäre ein Kommentar mit Ihren Gründen willkommen. Auf diese Weise kann ich das Problem beheben und die Frage verbessern;)
Ist Treibstoff nicht der Fluch der Raumfahrt? Es scheint, dass Sie den größten Teil Ihrer Beschleunigungsenergie verschwenden, indem Sie die Reaktionsmasse bewegen.
@JBH, ja, Treibstoff ist der Fluch der Raumfahrt. Deshalb versuchen wir, dies kraftstoffeffizienter zu machen.
Nebenbei bemerkt, wäre es nicht viel einfacher, einfach einen Ionenmotor zu verwenden? Ionen sind leichter zu stabilisieren, erreichen leichter relativistische Geschwindigkeiten und es gibt viel mehr Wasserstoff im Weltraum als alles andere. Asteroiden sind überraschend schwer zu finden, und wenn Sie einen an Ihr Schiff schnallen, müssen Sie sowohl den Asteroiden als auch das Schiff beschleunigen. Plus, wenn Sie bereits auf Geschwindigkeit sind, wird es unglaublich schwierig sein, einen Asteroiden zu fangen, und wird Ihr Schiff erheblich verlangsamen.
@ckersch Der Vorteil eines Massenfahrers ist seine Fähigkeit, alles als Kraftstoff zu verwenden. Für einen Ionenantrieb benötigen Sie ein raffiniertes Element, und die meisten Elemente, die in Ionenantrieben gut funktionieren, sind ziemlich selten (Wasserstoff ist eine schlechte Wahl, da er eine geringe Masse, aber keine außergewöhnlich niedrige Ionisierungsenergie hat, die meisten Edelgase und Alkalimetalle sind es Vorgesetzter). Sie würden keinen Asteroiden für interstellare Reisen "fangen", Sie würden entweder Umlaufbahnen und Rendezvous normal anpassen oder einfach Ihr Generationsschiff und Ihren Massentreiber auf dem Asteroiden selbst bauen (wahrscheinlich aus Asteroidenmaterialien).
Darüber hinaus widerlegt die Tatsache, dass wir Hunderttausende von Asteroiden gefunden haben, irgendwie die Vorstellung, dass sie „überraschend schwer zu finden“ sind.
Sicher, wir haben eine Menge gefunden, aber sie sind über einen riesigen Raum verteilt und auf wenige Orte konzentriert. Wenn Sie vorhaben, zwischen Sternen zu reisen, werden Sie nur sehr wenigen von ihnen begegnen, und die, denen Sie begegnen werden, werden sich mit hoher Geschwindigkeit bewegen, ebenso wie Ihr Schiff. Sie können mit einer an Ihrem Schiff angebrachten beginnen, aber das ist nur der Beginn Ihrer Reise mit viel Treibstoff, was zu den üblichen Raketenproblemen führt. Sie können genauso gut mit einem riesigen Lithiumblock beginnen und ihn in einem Ionenmotor verwenden.
Wasserstoff ist nicht der beste Brennstoff, aber er funktioniert recht gut in MPD-Triebwerken. Es ist auch am einfachsten im Weltraum zu sammeln, insbesondere im interstellaren Raum. Mit welcher Engine Sie diese Ressource am besten nutzen können, ist diejenige, die Sie verwenden möchten.
@ckersch, aber es ist viel einfacher zu finden, sagen wir eine Gigatonne Asteroiden (es gibt viele Gigatonnen + Asteroiden, in die man sich einfach eingraben und einen Massentreiber festschnallen könnte), als eine Gigatonne Lithium zu finden (was man muss verfeinern, wahrscheinlich aus Tausenden oder Zehntausenden von Gigatonnen anderer Materialien). Während der Lithiumblock Sie insgesamt schneller dorthin bringen könnte, wird der Asteroid, wenn Sie die Zeit zum Sammeln des Lithiums berücksichtigen, ein viel schnelleres und billigeres Generationsschiff bauen.
@ckersch zusätzlich, obwohl Wasserstoff das am häufigsten vorkommende Element im Sonnensystem ist (etwa 70 % davon nach Masse), ist es im Vergleich zu Asteroiden auch relativ schwierig, in großen Mengen zu erhalten (die überwiegende Mehrheit ist unzugänglich in der Sonne vergraben und die massiven Gravitationsbrunnen der Gasriesen). Daher ist ein Asteroid, der an einem Massentreiber festgeschnallt ist, für ein billiges und einfaches Generationsschiff schwer zu schlagen.

Antworten (3)

Ja, aber die Technik wäre knifflig.

Selbst 30 km/s zu erreichen, ist schwierig. Aktuelle experimentelle Railguns schaffen nur zwischen 2 und 3 km/s . Ein großer Teil davon ist auf Einschränkungen bei der Stromversorgung und der Lauflänge für praktische Waffenanwendungen zurückzuführen (die genau die Dinge sind, die Sie ändern möchten), aber nicht alles; Selbst Railguns mit geringerer Leistung haben Probleme mit Schienenerosion und Elektroschweißen, was einen Motor ernsthaft vermasseln kann!

Um diese Probleme zu lösen, sollten Sie stattdessen eine Coilgun (oder "Gauß-Pistole") verwenden . Mir ist nicht bekannt, dass tatsächlich große Coilguns gebaut wurden; Sie sind erheblich komplexer als Railguns, da sie eine sorgfältige Synchronisation verschiedener Beschleunigerkomponenten erfordern. Spulenpistolen im kleinen Maßstab, wie sie ein engagierter Bastler in einer Garage bauen könnte , vermeiden das Problem des Elektroschweißens, müssen sich aber immer noch mit Reibungserwärmung und Lauferosion auseinandersetzen. Glücklicherweise scheint es jedoch so, dass eine große Coilgun so konstruiert werden kann, dass sie das Projektil durch magnetische Levitation auf natürliche Weise zentriert . Während diese Art von Spulenkanone in Militärqualität derzeit nur dafür ausgelegt ist, in der Atmosphäre etwa 3 km / s zu treffen, gibt es keine grundlegendenGrund, warum es beim Betrieb im Vakuum nicht auf beliebig hohe Mündungs- / Abgasgeschwindigkeiten skaliert werden konnte, solange Sie sicherstellen, dass das Projektil die Laufwände niemals tatsächlich berührt . „Alles“, was Sie tun müssen, ist sicherzustellen, dass die Welle der Beschleunigerspulenaktivierungen über die gesamte Länge des Laufs leicht vor dem Projektil beschleunigt und dass die Laufinfrastruktur die Reaktionskräfte tragen kann. Da die Kraftauf dem Projektil muss nicht mit einer größeren Länge zunehmen, es sollte möglich sein, den Lauf unbegrenzt mit nur einer linearen Zunahme der strukturellen Masse zu verlängern. Darüber hinaus kann die Masse der Laufinfrastruktur niedrig gehalten werden, indem einfach die maximale Masse eines einzelnen Projektils begrenzt wird (wodurch die Kraft begrenzt wird, die erforderlich ist, um es zu beschleunigen)[*], und 95 km/s liegen weit unter der Geschwindigkeit, bei der elektrische Steuersignale können entlang des Laufs gesendet werden.

In der Praxis werden Sie kein einziges zentralisiertes Steuersystem verwenden wollen, es sei denn, Sie haben eine extrem gute Qualitätskontrolle der Eingaben für Ihren Massentreiber. Das Beschleunigungsprofil jedes Projektils wird wahrscheinlich etwas anders sein, daher sollten Sie Lidar-Sensoren (oder etwas Äquivalentes) entlang des Laufs verteilen, um den tatsächlichen Fortschritt des Projektils zu messen und aufeinanderfolgende Beschleunigerspulen lokal auszulösen.

Es gibt auch das Problem der Bucket / Sabot-Wiederherstellung. Wenn Sie möchten, dass alle Komponenten des Laufwerks wiederverwendbar sind, und Sie in der Lage sein möchten, die Masse, die Sie zur Hand haben, ohne Vorverarbeitung einfach als Remasse hineinzuwerfen, dann

  1. Sie benötigen einen beschleunigbaren Eimer, um die beliebige Masse hineinzutragen, da Sie sich nicht darauf verlassen können, dass die Remasse selbst die erforderlichen magnetischen Eigenschaften hat.
  2. Du kannst den Eimer nicht wegwerfen.

Wenn Sie damit einverstanden sind, eine bestimmte "Treibstoffmasse" mit sich zu führen und sie einfach mit beliebigen Dingen zu erweitern, können Sie Ihre Sabots wegwerfen, und die Dinge werden einfacher. Eine ähnliche Situation gilt, wenn Sie an Bord Einrichtungen haben, um abgebauten Materialien zu Sabots zu veredeln – aber dann können Sie nicht einfach alles verwenden, was Sie finden, und Sie haben die zusätzliche Komplikation der Veredelungs- und Herstellungseinrichtungen.

Wie gehen Sie also vor, um den/die Eimer wiederzugewinnen? Nun, zum einen wissen Sie, dass ein leerer Eimer offensichtlich weniger Masse hat als ein Eimer voller Remass, sodass Sie ihn bei gleicher Kraft viel schneller abbremsen können - und da die Verzögerungsphase den Lauf unter Spannung setzt , können Sie eine viel höhere Verzögerungskraft verwenden! Das bedeutet, dass die Bucket-Wiederherstellung nicht erfolgtnehmen Sie die Hälfte der Länge des Fasses ein; 10 % oder sogar weniger wären plausibel, und die Größe des Verzögerungsabschnitts wird linear mit dem Rest des Fahrers skalieren. Das knifflige Teil besteht darin, die Eimer am Ende aufzufangen und zur Wiederverwendung zurückzugeben. Ich bin mir überhaupt nicht sicher, wie ich diese Infrastruktur so anordnen soll, dass eine Öffnung für den Durchgang der Remasse bleibt und nicht ein Haufen beweglicher Teile hinzugefügt wird, die dann potenziell ausfallen können.

[*] Sie können noch mehr Masse einsparen, indem Sie den Massetreiber in einer Traktorkonfiguration anordnen, wobei sich der Lauf nach vorne erstreckt und der Hauptteil des Schiffs um die Düse herum angeordnet ist. Dadurch wird das Ganze unter Spannung gesetzt, und Strukturmetalle neigen dazu, unter Spannung viel stärker zu sein als unter Druck (wenn Sie die Stützstruktur des Fasses aus Asteroidengestein bauen, wäre das andererseits eine schlechte Idee, da Gestein viel stärker in der Kompression ist). Wenn Sie die Dinge sorgfältig arrangieren, können Sie sicherstellen, dass der Verzögerungsabschnitt auch unter Spannung steht. Wenn dies jedoch unpraktisch wird, können Sie sich damit trösten, dass der Löffelverzögerungsabschnitt ohnehin relativ klein ist, sodass Sie immer noch eine Nettoeinsparung an Gesamtmasse erzielen.

Als Randbemerkung ist die Wikipedia-Seite zu Spulenkanonen etwas trügerisch in Bezug auf die Definition einer Gauß-Kanone. Coilguns, die Sie hier beschreiben, wurden von Kristian Birkeland erfunden. Gauß-Kanonen, die den zwischen kollidierenden Magneten übertragenen Impuls nutzen, wurden von Carl Gauss erfunden und unterscheiden sich deutlich von einer Coilgun, aber Science-Fiction verwechselt die beiden oft.
"Stellen Sie sicher, dass die Welle der Beschleunigungsspulenaktivierungen über die gesamte Länge des Laufs leicht vor dem Projektil beschleunigt wird" . in immer kleineren Zeitschritten), wenn die Geschwindigkeit des Projektils zunimmt? Wenn ja, würde dies einige Grenzen bedeuten, wie schnell ein Projektil von einer riesigen Coilgun realistisch beschleunigt werden könnte, nur basierend auf der maximalen Stromrate, die in bekannten Materialien zunehmen kann?
@Hypnosifl Nein. Die Zeit, die eine Spule benötigt, um auf die maximale Feldstärke hochzufahren, spielt nicht annähernd so viel Rolle wie das Intervall, nach dem Sie mit der Aktivierung jeder aufeinanderfolgenden Spule beginnen. Die Möglichkeit, eine einzelne Spule schneller zu schalten, erhöht die Effizienz, schränkt jedoch die maximale Projektilgeschwindigkeit nicht grundlegend ein.

Ouroboros-Massentreiber.

Die Sache mit den langen, langen, langen Massentreibern ist, dass jeder Spulensatz einmal für jedes Treibmittelstück verwendet wird, und dann ist es fertig. Ineffizient! Sie sind teuer, diese Spulen. Und es ist eine Sache, ein 2 km langes Rohr ruhig auf dem Mond liegen zu haben, eine andere, es zu montieren, das priapikal aus Ihrem Raumschiff herausragt. Die Ästhetik, wissen Sie.

Ich schlage den runden Massetreiber vor, den Ihr Schiff geschmackvoll um den Mittelteil gegürtet tragen wird. Die Nutzlast dreht sich immer wieder um die kreisförmige Bahn, passiert immer wieder denselben Satz Spulen und beschleunigt dabei. Jeder Durchgang durch Ihre Spulen fügt Energie hinzu. Natürlich ist hier größer besser, da die Zentrifugalkraft Ihr Projektil beim Drehen gegen den Boden der Schiene drückt, aber Ihre Schiene ist hartes Zeug und Sie können Ihre halbkreisförmigen Sekundärspulen so manipulieren, dass sie eine Magnetkraft auf das Projektil ausüben, die ihrer Tendenz entgegenwirkt radial herausdrücken.

Die Endgeschwindigkeit Ihres Projektils hängt davon ab, welchen Radialkräften Ihre Kette standhalten kann und wie erfolgreich Sie dieser Radialkraft mit Magnetismus entgegenwirken können. Am Punkt der Freigabe öffnet sich Ihre Spur (hoffentlich an einem speziell dafür gebauten Punkt zum Öffnen) und das auf Geschwindigkeit gedrehte Projektil wird herauskommen.

Außerdem wird dieses Gerät einen erschreckend großartigen Sound erzeugen, der in allen Teilen des Schiffes hörbar ist.

Nun, du hast mich dazu gebracht, ein Wort nachzuschlagen, so gut für dich. Ich muss das nicht oft machen. Mein einziges Problem ist, dass es bei diesen Geschwindigkeiten sowohl dem Projektil als auch der Spur schreckliche Dinge antun wird, wenn Sie etwas anderes tun, als das Projektil in der Mitte eines Hartvakuum enthaltenden Laufs magnetisch schweben zu lassen, was wahrscheinlich das kühle Geräusch negieren wird. Abgesehen davon ist dies eine gute Alternative zu einem linearen Massetreiber, also +1.
Außerdem wäre es wirklich großartig, wenn Sie eine Gleichung finden könnten, die sich auf den Ringradius, die maximale Abgasgeschwindigkeit und jeden anderen relevanten Faktor bezieht (wahrscheinlich die maximale Kraft der Elektromagnete und / oder die strukturelle Festigkeit, ich bin mir nicht sicher), aber das wäre ein Bonus, keine Voraussetzung.
@Gryphon: Wort nachschlagen - sehr gut. Benutze es oft. Bezüglich des Lärms hast du Recht, was schade ist. Zur Mathematik: Ich werde mich blamieren. Aber wer daran interessiert ist, ein paar Zahlen hineinzuwerfen, tut dies bitte.
Betreff: Mathe, ich werde sehen, ob ich etwas zum Bearbeiten finde. Ich bin nicht so schlau, aber Google ist es.
Betreff: Wort: Hätte ein großer Kreis um das Schiff nicht die entgegengesetzte Art von Bildern? Ich bin mir nicht sicher, ob das wirklich eine Verbesserung ist.

Mir fallen drei Dinge ein, die die lineare Skalierung Ihres Massentreiberdesigns verhindern würden.

  1. Sie brauchen Ihre Struktur, um ein Mindestmaß an Steifigkeit aufrechtzuerhalten, anstatt sich bei jedem Schuss zu biegen und zu biegen. Da ich kein Statiker bin, kann ich Ihnen nicht sagen, an welche Materialgrenzen Sie stoßen könnten, aber irgendwann werden Ihre Materialien der Aufgabe einfach nicht mehr gewachsen sein.

  2. Ineffizienzen. Ein Teil der Energie Ihres Massetreibers wird am Ende den Eimer erhitzen, anstatt ihn zu schieben. Wenn Sie diese Energie schneller hineinpumpen, als der Eimer sie ausstrahlen kann, wird das Ganze schließlich explosionsartig verdampfen. Sie werden Alpha Centauri heute nicht erreichen. Wenn Sie keine Supraleiter verwenden, werden Sie auch feststellen, dass Verluste in Ihren großen Stromleitungen ebenfalls ein kleines Problem darstellen.

  3. Leistungsumschaltung. In einer Coilgun möchten Sie in der Lage sein, eine Spule so schnell wie möglich auszuschalten, sobald der Antriebseimer durch ist, oder es verursacht nur Luftwiderstand und verlangsamt alles. Je schneller Ihr Eimer fährt, desto schwieriger ist es, die Dinge schnell genug ein- und auszuschalten. Ich erinnere mich, dass ich etwas über supraleitende Antriebsspulen gelesen habe, die Sie mit Lasern kochen würden, um sie so schnell wie möglich zu löschen, aber ich spüre dort Lebensdauergrenzen und Zykluszeitprobleme!

Es gibt jedoch andere Möglichkeiten, Ihren Massentreiber zu verbessern ... ziehen Sie die Verwendung von supraleitenden Eimern anstelle von ferromagnetischen in Betracht, da Sie bei einem mickrigen Tesla oder zwei keine Probleme mit der magnetischen Sättigung haben, sondern stattdessen Zehner oder sogar niedrige Hunderter verwenden können. von Tesla-Magnetfeldern. Sie werden auch ein paar zusätzliche Prozent Effizienz aus dem System herausquetschen.

(Im Grenzfall finden Sie es möglicherweise einfacher, Ihre Reaktionsmasse einfach mit Elektronenstrahlen zu ionisieren und die Plasmawolke nach hinten zu beschleunigen. Das funktioniert auch mit jedem Brennstoff und ist möglicherweise einfacher herzustellen!)

Das Problem ist, dass Ihr riesiger, schwer zu bauender, schwer zu betreibender Massentreiber immer noch nur mickrige 10000 liefert ICH S P . Das ist ein langsames Boot zur Oortschen Wolke, ganz zu schweigen vom Besuch eines anderen Sterns.

Unter der Annahme einer Abgasgeschwindigkeit von 100 km / s und eines ziemlich optimistischen Massenverhältnisses von 1000: 1 haben Sie a Δ v von 690 km/s. Wenn Sie alles beim Beschleunigen vermasseln und andere Mittel zum Anhalten verwenden, werden Sie fast zweitausend Jahre brauchen , um zu Alpha Centauri zu gelangen. Ich wette mit Ihnen zehn Dollar, dass in dieser Zeitspanne jemand ein besseres Laufwerk erfunden haben wird. Wenn Sie Glück haben, sammeln sie Sie vielleicht auf ihrem Weg vorbei.

Die Take-Home-Message sollte lauten: „Verwende keine Massentreiber für Raumschiffe“. Oder besuchen Sie das äußere Sonnensystem. Überlassen Sie sie den Asteroiden-Minenarbeitern der 1950er Jahre.

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