Ist es möglich, ein "fast perfekt" versiegeltes Schiff zu bauen?

Du stehst vor einigen Herausforderungen...

Die Antwort von Cort liefert die Mathematik für ein ideales System. Aber Ihr System wird keine ideale, versiegelte Sphäre sein. Es wird daher wahrscheinlich schneller ausgasen. Zum Teil, weil es keine ideale Sphäre ist. Und zum Teil, weil die Dinge im Laufe der Zeit scheitern.

Fallbeispiel. Früher besaß ich ein teures medizinisches Gerät, das versiegelt war. Es wurde als wasserdicht bis etwa 10 Meter eingestuft. Nicht so viel, wirklich. Nach einigen Monaten normalen Gebrauchs war diese Bewertung jedoch zerstört. Es wurde nass, es wurde ruiniert. Weil die Dichtungen durch gelegentliche Abnutzung geschwächt wurden.

Ihre Station muss in der Lage sein, dem allgemeinen Missbrauch Ihres Schiffes standzuhalten. Dieser Missbrauch nimmt viele Formen an:

• Mikro-Meteor-Einschläge bei Ihrer Reisegeschwindigkeit.
• Reibungsverschleiß durch das Öffnen/Schließen aller Ausgangsportale beim Radfahren.
• Alternde Teile
• Konstruktionsfehler
• Spannungen während der Beschleunigung oder wenn sich Schubvektoren ändern

Um diese zu lösen, sind mehrere Ansätze erforderlich.

• Verwenden Sie die besten Materialien und Herstellungstechniken
• Entwerfen Sie Dichtungen in der Tiefe, damit eine andere den Druck aufnehmen kann, wenn eine Dichtung ausfällt
• Ständige Überwachung auf Mikrolecks, damit sie gepatcht werden können, bevor sie zu Megalecks werden
• vielleicht die Entwicklung einiger Arten von selbstdichtenden Materialien, die in Mikrolecks fließen und diese füllen können

Und all dies muss während des Fluges wahnsinnig einfach zu warten sein. Niemand kann einfach zum Ship-Mart in Ihrer Nähe fliegen, um Ersatzteile zu kaufen ( Shop smart, shop Ship-Mart ).

Ich schlage vor, Sie bauen mindestens fünf unabhängige Rümpfe. Setzen Sie jedes bis zu einem gewissen Grad mit einem hochgewichtigen Edelgas unter Druck. Edelgas, weil sie nicht gerne mit anderen Dingen reagieren. Und Partialdruck, damit der Druckunterschied zwischen dem Vakuum des Weltraums und dem Druckbehälter voller Menschen geringer ist. Es müsste nicht annähernd 1 Atmosphäre Druck betragen. Gerade genug, um den Druck zu verringern ( Wortspiel beabsichtigt ).

Diese Außensicherheitshüllen sollten in einer Art Wabengitter aus Zellen konstruiert sein, damit ein Bruch einer Zelle nicht den gesamten Rumpf leert. Dies erhöht auch die strukturelle Festigkeit dieses Rumpfes erheblich.

Oder Sie könnten Wassereis in mindestens einem dieser Rümpfe lagern, um bei Bedarf einen Strahlungsschutz / eine Wasserversorgung / eine Wasserstoff- und Sauerstoffversorgung bereitzustellen.

Mit einem Wort, nein. Perfekte Dichtungen gibt es in der realen Welt einfach nicht. Glücklicherweise gibt es auch keine perfekten Schiffe. Selbst wenn Sie perfekte Robben hätten, könnten Sie nicht für alle Ewigkeit durch den Himmel kreuzen, weil Sie schließlich zusammenbrechen würden, wenn Sie auf kleine Partikel treffen. Die Entropie gewinnt immer.

Glücklicherweise können Sie aus praktischen Gründen gut abschneiden. Sie erwähnen Wasserstoff, und Wasserstoff ist in der Tat etwas ganz Besonderes. Es ist viel kleiner als alles andere und ist berüchtigt dafür, in Hochvakuumanlagen böse Dinge zu tun. Normalerweise reicht normaler Stahl für die meisten Gase aus, aber Wasserstoff kann hindurchdiffundieren. Deshalb ist jede Vakuumkammer, die Sie sehen, aus Edelstahl (und kostet somit mehr als mein Haus!).

Das Wichtigste, was Sie tun können, ist, die Dichtungen zu minimieren und thermische Effekte zu minimieren. Haben Sie keine ausgefallenen Siegel wie solche, die sich drehen oder öffnen können. Konzentrieren Sie sich fast ausschließlich auf Verbindungen wie die Kupfermesserkantendichtungen, die sie in Hochvakuumanlagen verwenden. Dies sind Verbindungen mit einer Messerkante, die in eine Kupferdichtung schneidet, um eine sehr starke Dichtung zu schaffen. Auf diese Dichtungen wird in Hochvakuumsituationen vertraut, daher sollten sie gut für Sie sein.

Achten Sie auch auf thermische Effekte. Solange sich das Schiff im relativen Gleichgewicht befindet, werden Sie nicht zu viele Mikrorisse sehen.

Für eine gewisse Perspektive können Sie sich die Hochvakuum-Community ansehen. Dies sind nicht die normalen Staubsauger, an die Sie gewöhnt sind. Die meisten von uns haben mit niedrigem Vakuum zu tun, was den Druck von normalen 760 Torr auf 100 Torr senken kann. Die Hochvakuum-Community operiert gerne im Nanotorr-Bereich und darunter. Bei diesem Druck (oder Druckmangel) gast alles aus . Sie kümmern sich tatsächlich darum, weil der kleinste Zustrom ihr Experiment ruinieren wird. Aus der Dokumentation kann man erwarten, dass Edelstahl bei "ausgast".$3\cdot10^{-13} \frac{Torr\cdot Liter}{sec\cdot cm^2}$. Dies bedeutet, dass Sie davon ausgehen, dass Gas ungefähr mit dieser Geschwindigkeit durch den Stahl strömt. Anhand dieser Zahl können Sie bestimmen, wie lange der Druck in Ihrem Schiff aufrechterhalten werden kann.

Lassen Sie uns einige Zahlen bilden. Die ISS hat ein Volumen von etwa 1000 Kubikmetern (1.000.000 l). Wenn wir es zu einer Kugel machen würden (die beste Form zur Minimierung von Verlusten), hätte es einen Durchmesser von etwa 12 m, also eine Oberfläche von etwa 2000 Quadratmetern (2 * 10 ^ 7 cm ^ 2). Wenn Sie diese zusammen mit dieser Konstante für Edelstahl multiplizieren/dividieren, erhalten Sie$6\cdot10^{-12}\frac{Torr}{sec}$. Das ist Ihr Druckverlust pro Sekunde. Das ist$0.000185274 \frac{Torr}{year}$, oder$0.185274 \frac{Torr}{millennia}$. Wenn Sie mit atmosphärischem Druck (760 Torr) beginnen, würde es 4 Millionen Jahre dauern, bis er sich erschöpft, wenn Sie diese groben Schätzungen verwenden.

Mit größeren Kugeln erzielen Sie bessere Ergebnisse, sodass Sie problemlos in die 10er von Millionen von Jahren gelangen können. Aber es ist nicht perfekt.

Nachdem ich Corts beeindruckende Antwort gelesen hatte; Ich würde eine Alternative zu "fast" perfekt versiegeln anbieten. Konstruieren Sie eine Abdeckung, die über das Schiff passt; so nah wie möglich, mit der Einschränkung, nur zwei Teile mit einer einzigen Dichtung dazwischen zu sein (so klein wie möglich). Oder aus praktischen Gründen so wenig Teile wie möglich mit möglichst offensichtlichen Siegeln. Machen Sie die Abdeckung aus Glasdiamant$^1$und Edelstahl. Setzen Sie dann den Spalt zwischen der Abdeckung und dem Schiff unter Druck, um dem Druck des Schiffs zu entsprechen (oder ihn geringfügig zu überschreiten).

$^1$hinzugefügt: Das OP ermöglicht zukünftige Technologien; Die derzeitige Technologie ermöglicht es uns, Diamantfilme abzuscheiden und mit hohem Druck Edelsteine ​​herzustellen. Vermutlich wird die Zukunftstechnologie in der Lage sein, reine Diamantfenster und dicke Diamantfilme für die beschriebene Abdeckung herzustellen.

Der Punkt hier ist, ein ungiftiges, allgemein verfügbares Gas (die gebräuchlichsten sind Wasserstoff, Helium, Sauerstoff, Stickstoff, Neon, in dieser Reihenfolge) zu verwenden, um den Spalt zwischen der Abdeckung und der Schiffswand unter Druck zu setzen. Neon ist wahrscheinlich die beste Wahl, es ist ungiftig und chemisch inert, was bedeutet, dass es keine Verbindungen eingeht (im Gegensatz zu Stickstoff und Sauerstoff, die beide Verbindungen eingehen) und eine Atommasse von 20 hat (gegenüber 1 und 4 für Wasserstoff und Helium bzw .)

Da Neon aus der Abdeckung ausgast, kann es für Ersatzzwecke aufgeschöpft werden. Das macht es zu einem guten "Opfer"-Gas, dh wir können Neon austreten lassen, aber wir verlieren nicht unseren Sauerstoff und andere spezielle Rezepturen von Gasen innerhalb des Schiffs, die das Leben angenehm erhalten.

Soweit Neon in das Innere des Schiffes eindringt; es ist ungiftig und wir können es herausfiltern, um es erneut in den Spalt einzuspritzen (die Schiffswände können dafür Öffnungen haben; denken Sie daran, dass nur die Außenhülle so wenige Verbindungen wie möglich haben muss).

Der Vorteil der Abdeckung ist auch die Wartbarkeit; Mit nur wenigen einfachen geraden Dichtungen, die leicht zugänglich sind, können wir dort Geräte montieren, um die Dichtungen auf Leckagen zu überwachen und sie relativ einfach zu reparieren. Solche Geräte können im Vakuum betrieben werden; die Kommunikation kann durch magnetische Feldfluktuation, akustische oder Funkwellen durch die Abdeckung erfolgen, ohne sie zu durchdringen. Dasselbe gilt für andere sensorische Ausrüstung, die das Schiff möglicherweise benötigt, oder Antennen, Laser, Teleskope, Schüsseln, Waffen usw.

Natürlich wird auch die gesamte äußere Hülle geopfert. Bei Schäden durch Weltraumschrott kann es repariert werden; Da es sich jedoch nicht um zusammengeschraubte Teile handelt und keine anderen "Komponenten" als die einzelne Dichtung (oder einige einfache Dichtungen) aufweist, können Reparaturen harte Schweißnähte und dauerhaft eingeschmolzenes Glas sein.

In Docks in der Nähe von Planeten kann das Neongas zur Lagerung entspannt und wieder verflüssigt werden (ja, Neon von allen Elementen hat den engsten Temperaturbereich für die Verflüssigung; nur ein 5,5-F-Grad-Fenster, aber wir haben die zukünftige Wissenschaft auf unserer Seite!). Dann kann die Abdeckung abgenommen werden; vielleicht im Weltraum gespeichert, während das Schiff zur Planetenoberfläche fährt. Natürlich wäre das Schiff immer noch so konstruiert, dass es selbst unter Druck gesetzt wird, und würde im Notfall ausreichen (wie wenn die Abdeckung durch einen Aufprall durchbrochen wird, der den Schiffsrumpf nicht durchbricht); aber es kann mit vielen Komponenten für Manövrierfähigkeit, Landung, Be- und Entladen von Fracht oder Passagieren usw. konstruiert werden.

Es fällt mir nur ein, nicht sicher, wie praktisch es wäre:

Wie wäre es mit einer zusätzlichen Hüllenschicht? Die Lücke zwischen beiden Schichten kann groß genug sein, um einen Roboter/einen Mann in einem Raumanzug zur Durchführung von Reparaturen/Wartungsarbeiten zu schicken. Und die Verwendung von Vakuumpumpen, um Luft wieder unter der Innenschicht zu sammeln.

Das Problem besteht darin, die verlorene Luft (und vermutlich andere Materialien) nachzufüllen. Was Sie also brauchen, ist eine Möglichkeit, ausreichende Mengen an Ersatzelementen zu transportieren, ohne dem Schiff übermäßige Masse hinzuzufügen (was die Konstruktion schwieriger macht und mehr Energie zum Beschleunigen und Abbremsen kostet). oder Kursänderungen vornehmen usw.)

Glücklicherweise gibt es einen Weg, dies zu erreichen. Da sich das Schiff in der harten Strahlungsumgebung des Weltraums befinden wird, benötigen Sie eine massive Abschirmung. Wenn sich das Schiff mit nennenswerter Geschwindigkeit bewegt, prallen interstellarer Staub, Gasmoleküle usw. auf den Rumpf und erodieren ihn langsam. Das Schiff muss also sowohl massiv abgeschirmt sein als auch vorne eine Art Schutzpanzer haben, um in Fahrtrichtung vor Erosion zu schützen. Die "ideale" Form des Schiffes würde einem Golf-"T" ähneln, wobei das breite Ende vorne als "Nachlaufschild" und eine massive zylindrische Hülle über dem Rest des Schiffes wirkt.

Typischer Golftee

Um den Rest der Masse unten zu halten. Diese Abschirmung besteht aus Eis und erfüllt eine doppelte Aufgabe, sowohl als Abschirmung als auch als Wasserstoff- und Sauerstoffreservoir zur Ergänzung des Lebenserhaltungssystems. In der Kälte des interstellaren Raums ist eine dünne metallisierte Folienabdeckung über der Außenfläche wahrscheinlich der einzige Schutz, den Sie für das Eis benötigen. Da Wasser, Sauerstoff und Wasserstoff allein nicht ausreichen, wird das Eis mit anderen gefrorenen „Eisen“ wie Methan, CO2, Stickstoff usw. vermischt, sodass durch das Erschließen des Eisreservoirs viele wichtige Elemente für das Lebenserhaltungssystem bereitgestellt werden.

Wenn Ihr Recycling effizient genug ist, wird die Menge an Masse, die aus dem Eisschildreservoir gezogen wird, nur ein Bruchteil der tatsächlich verfügbaren Gesamtmenge an Eis sein. Das Ziehen des Eises von hinten (in der Nähe der Stelle, an der sich wahrscheinlich die Motoren befinden würden) beeinträchtigt den Schutz des Rests des Schiffes nicht übermäßig, und falls erforderlich, kann etwas überschüssige Wärme in den Rumpf lecken, damit das Eis "fließen" kann " wie ein Gletscher, um ausgedünnte oder beschädigte Stellen im Schutzschild zu überdecken oder zu bergen.

Langfristig zersetzen sich Materialien unter Umweltbelastungen (und damit auf unvorhersehbare Weise). Sie erfordern endlose, regelmäßige Beobachtung und Reparatur. "Intelligente" Materialien (z. B. mit Nanomaschinen imprägniert) oder strukturelle Integritätssysteme könnten die Aufgabe automatisieren, Materialien in Topform zu halten, vorausgesetzt, sie haben direkten Zugang zu einem unbegrenzten Vorrat an Reparaturmaterial, einer geeigneten Infrastruktur zur Abfallbeseitigung und der Fähigkeit zur vollständigen Wartung und/oder sich selbst replizieren.

Unter der Annahme, dass die Schiffsstruktur und die Materialien keinen Gasverlust bewältigen, wenn ihr Zustand innerhalb einer gewissen Grenze des Idealzustands liegt, den dieses System aufrechterhalten kann, wäre alles in Ordnung. Selbst wenn die Struktur oder Materialien im Idealzustand einen kleinen Verlust zulassen, könnte ein solches System (insbesondere mit Nanomaschinen imprägnierte Materialien) auch eine Art aktive Umkehrosmose ermöglichen, indem es Energie verbraucht, um austretende Gase zurück in das Schiff abzustoßen.

Leider würde eine übermäßige Beschädigung immer noch zu einem schnellen Gasverlust führen, bevor das automatisierte Wartungssystem ihn reparieren könnte, und bei genügend Zeit ist eine solche Beschädigung praktisch garantiert. Aber wie andere vorgeschlagen haben, würde das Ersetzen der verlorenen Gase dies ausgleichen, und ein System, das bereits über die Infrastruktur und die Materialien verfügt, um Reparaturen an Containment-Systemen vorzunehmen, könnte seine Ressourcen nutzen, um auch verlorene Gase zu erzeugen.

All dies unter der Annahme, dass wir uns innerhalb weniger Jahrhunderte einer kostengünstigen Materie-Energie-Umwandlung im Mikro-/Nanomaßstab befinden, was wahrscheinlich die einzige Möglichkeit ist, all diese Probleme (vielleicht sogar nur eines davon) mit einem einzigen zu lösen System.