Ist Weltraumbergbau und -entwicklung, wie in der Fernsehsendung „The Expanse“ gezeigt, realistisch?

In der Fernsehsendung „The Expanse“ sehen wir, wie das Sonnensystem im 23. Jahrhundert teilweise kolonisiert und entwickelt wurde. Das Raumfahrzeug in der Show scheint von herkömmlichen chemischen Raketentriebwerken (oder möglicherweise einem viel effizienteren Hochschub-Ionenantrieb) abzuhängen. Ceres wurde als Primärstation innerhalb des Asteroidengürtels kolonisiert und verschiedene Raumschiffe werden dargestellt, wie sie Eis aus anderen Teilen des Sonnensystems transportieren. Insbesondere sehen wir ein „Eisschlepper“-Raumschiff im Orbit um Saturn, das dann aufbricht, um zu Ceres zurückzukehren.

Obwohl kein expliziter Zeitplan gezeigt wurde, wird im Wesentlichen impliziert, dass diese Art von Mission alltäglich und einfach eine Lebensweise für viele der Kolonisten (bekannt als „Belter“) ist. In Anbetracht der erwarteten Trajektorien für den Transfer zwischen Ceres und Orten wie Saturn hätte ich jedoch gedacht, dass es unrealistisch wäre, von einer Crew zu erwarten, dass sie sich auf diese Art von Lebensstil einlässt – vor allem die Zeit, die benötigt wird, um zwischen ihnen hin und her zu wechseln diese beiden Orte (oder andere).

Ein Hohmann-Transfer von Ceres zu Saturn würde etwa 7,64 Jahre (einfache Fahrt) bei einem minimalen Delta-V von etwa 7,57 km/s dauern, aber Sie können diese Dauer auf Kosten von mehr Treibstoff immens verkürzen, indem Sie mit energiereicheren Trajektorien übertragen . Hier ist ein Diagramm der Einweg-Übertragungszeit als Funktion von Delta-V:

Beachten Sie, dass ein Delta-V über 19 km/s einer Fluchtbahn aus dem Sonnensystem entspricht.

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Und hier ist ein Blick auf die Familie der Flugbahnen – jedes Rendezvous mit Saturn findet an der gleichen Stelle der Anomalie statt, während die Abweichungsanomalie von Ceres variiert. Ich gehe davon aus, dass sich Saturn und Ceres auf Kreisbahnen befinden (sie haben Exzentrizitäten von etwa 0,055 bzw. 0,075) und dass sie koplanar sind (Ceres hat eine Neigung von etwa 7,5 Grad im Vergleich zu Saturn, was nicht unbedeutend ist, aber trotzdem vernachlässigt wird ).

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Was wir hier also sehen, ist, dass eine Mission von Ceres zum Saturn und zurück irgendwo zwischen mindestens 4 und höchstens 15 Jahren dauern würde. Natürlich gibt es Karrieren auf der Erde, die Menschen für ein oder zwei Jahre von ihren Häusern und Familien wegnehmen, aber die Reisezeit für diese Missionen scheint nicht wie etwas zu sein, das als Karrierewahl unternommen würde. Deutet dies darauf hin, dass die Art von rauhen und bemannten Space-Mining-Konzepten unrealistisch ist?

Diese Frage ist ziemlich weit gefasst, daher werde ich sagen, dass sich die Antworten wirklich auf (a) die Elemente der Antriebs- und Orbitalmechanik konzentrieren sollten, die definieren, wie lange diese Transfers dauern würden, und (b) welche Art von Aussichten wir für die bemannte Raumfahrt erwarten könnten als Karriere (wahrscheinlich am ehesten vergleichbar mit Dienstreisen beim Militär oder Jobs auf See).

Jede Antwort, die mir dazu einfällt, bewegt sich weg von der Frage der Transferzeiten und Karrieren auf der Straße, hin zu Fragen autonomer Roboter und riesiger Cycler-Schiffe, die ganze Gemeinschaften enthalten. Ich neige dazu zu sagen, dass die Serie nicht realistisch ist und die Tage kleiner menschlicher Crews kurz und von Pioniercharakter sein werden.
7,57 km/s ist die Summe aus Ceres-Abfahrt Vinf und Saturn-Ankunft Vinf. Das ist nicht unbedingt das Delta-V-Budget. Beim Übergang von der Ceres-Oberfläche in die Saturn-Einfangbahn kann das Budget nur 4,23 km/s betragen
Die Zahlen stammen aus einer Übertragung, die davon ausgeht, dass Sie mit der heliozentrischen Geschwindigkeit von Ceres beginnen und dann mit der von Saturn übereinstimmen. Ich kann die Mathematik der Frage hinzufügen, woher bekommen Sie 4,23 km / s?
Ich kann anscheinend nicht herausfinden, wie Sie die "Summe von Ceres-Abfahrt Vinf und Saturn-Ankunft Vinf" von 7,57 km / s erhalten - bitte erläutern Sie es!
Ich möchte nur erwähnen: Laut dem Hintergrund der Geschichte (sowohl Bücher als auch TV-Show) musste die Menschheit einen fortschrittlichen Antrieb erfinden, damit der Abbau und die Entwicklung des Gürtels wirtschaftlich rentabel waren. Die Details dieses Antriebs sind nirgendwo angegeben, woran ich mich erinnern kann, aber es scheint eher ein Antrieb mit hohem Schub als ein Antrieb mit hoher Ausdauer zu sein (was für die menschliche Raumfahrt seltsam erscheint).
Vinf wird hier erklärt: hopsblog-hop.blogspot.com/2013/03/what-heck-is-vinf.html Für eine Ceres zu Saturn Hohmann beträgt die Abfahrt von Vinf 4,39 km/s, die Ankunft von Vinf 3,18 km/s. Unter der Annahme kreisförmiger koplanarer Umlaufbahnen.
Ich hätte 4,6 statt 4,23 km/s schreiben sollen. Um den Saturn-Einfangorbit zu erreichen, ist es nicht notwendig, mit 3,18 km/s zu brennen. Es wird viel weniger benötigt, um den Einfang am Saturn zu erreichen, nur 0,16 km/s.
Am Saturn angekommen, beträgt Vinf 3,18 km/s. Geschwindigkeit der Hyperbel ist v ich n f 2 + v e s c 2 Bei einer Periapsis nahe Saturn (300 km Höhe) wären das 35,52 km/s. Periapsis-Geschwindigkeit für eine Saturn-Einfangbahn mit dieser Periapsis beträgt 35,36 km/s. Es werden also nur 0,16 km/s benötigt, um eine Erfassung zu erreichen.
@HopDavid Endlich hatte ich die Gelegenheit, die Mathematik hier noch einmal zu überdenken, und ich sehe, wo sich meine Analyse unterscheidet - ich gehe davon aus, dass die Fangbahn kreisförmig ist! Du hast mir Sorgen gemacht, dass meine orbitalen Mechanikfähigkeiten nicht so stark sind, wie ich dachte. Wenn ich zu einer 300-km-Höhenerfassungsperiapsis (Perikron?) und einem Apocron, das 99% des SOI-Radius entspricht, umschalte, erhalte ich eine Erfassung von 0,16 km/s Δ v . Vielen Dank!
@BrianLynch Danke. Welche Fähigkeiten ich auch immer in der Orbitalmechanik habe, ich habe sie mir selbst beigebracht und ist daher fragwürdig. Ich atme immer erleichtert auf, wenn jemand mit formaler Ausbildung meine Ergebnisse bestätigt. Ich war fassungslos, als ich den Unterschied zwischen niedrigen kreisförmigen Umlaufbahnen und Fangbahnen verglich. Siehe hopsblog-hop.blogspot.com/2012/06/inflated-delta-vs.html
@HopDavid: Dein Blog ist großartig! Und ein großes Lob dafür, dass Sie sich die Orbitalmechanik selbst angeeignet haben!
Größe und Umfang der Wirtschaft machen alle Industrien immer sehr wettbewerbsfähig gegenüber jeder Asteroiden- oder interplanetaren Industrie. Solche Produktionsinseln im Weltraum werden nur Nischen sein und ihre Versorgung wird vom S&P500 abhängen. Transportkosten sind ein untergeordnetes Problem im Vergleich zur Interaktion mit der globalen (d. h. irdischen) Wirtschaft von Millionen spezialisierter menschlicher Arbeiter.
Hier ist eine ganze SSERVI-Vortragsreihe über Bergbau im Weltraum, die Dozenten aus der Bergbauindustrie einbezieht. Die Orbitalmechanik ist das geringste der genannten Probleme. Es wird angenommen, dass auf absehbare Zeit eine gelegentliche Anwesenheit von Menschen erforderlich ist.

Antworten (3)

Kurze Antwort: Vielleicht, wenn man einen Motor wie in der Serie zulässt.

Lange Antwort:

Die Raumschiffe in The Expanse verwenden keine Hohmann-Übertragungen. Stattdessen beschleunigen sie einfach kontinuierlich bis zum Schnittpunkt mit ihrem Ziel, drehen auf halbem Weg und bremsen wieder ab. Dies reduziert sowohl die zurückgelegten Entfernungen (da Ihr Weg viel weniger gekrümmt ist) als auch die durchschnittliche Reisegeschwindigkeit, was beides die Reisezeit um große Beträge verkürzt.

Diese Art des Reisens ist möglich, weil die Schiffe keine "herkömmlichen chemischen Raketentriebwerke" verwenden, sondern einen sogenannten Epstein-Antrieb. Dies ist laut den Büchern ein hocheffizienter Fusionsmotor.

Wie effizient müssten wir dieses Ding dazu bringen, Manöver wie in der Serie zu machen? Machen wir ein paar Zahlen:

Eine typische Reise in den Büchern liegt in der Größenordnung einer zweiwöchigen Reise, Beschleunigung mit 1/3 g, Überschlagen auf halbem Weg. (Dieses Manöver würde uns von der Erde zum Jupiter bringen, wenn sich Jupiter/Erde ungefähr in ihrer mittleren Entfernung befinden.)

1/3 g ~ 3 m/s²
2 Wochen ~ 1.206.600 Sekunden

Damit dieses Manöver funktioniert, brauchen wir also genug Treibstoff für
1.206.600 s * 3 m/s² = 3.628.800 m/s Delta V.
(Zum Vergleich: Unsere aktuellen Raketen haben etwa 90 % Treibstoff und schaffen ~10.000 m/s Delta V).

Offensichtlich können unsere Raketen das überhaupt nicht. Aber denk an den Epstein-Antrieb! Fusionsantriebe befinden sich hier auf der realen Erde in einem sehr frühen Entwicklungsstadium ... aber Wikipedia gibt uns hier einige Zahlen für einen Prototyp: https://en.wikipedia.org/wiki/Fusion_rocket

Dort sind 700 km/s Abgasgeschwindigkeit angegeben, mal sehen, was uns das bringt:

Die Abgasgeschwindigkeit/Erdgravitation gibt uns den spezifischen Impuls eines Motors, der uns im Grunde sagt, wie viel Kraftstoff wir ausgeben müssen, um unsere Geschwindigkeit um einen bestimmten Betrag zu ändern.

Unter Verwendung dieser Seite:
http://www.quantumg.net/rocketeq.html
können wir herausfinden, wie viel Delta V wir für eine Rakete des Gewichts X mit verfügbarem Treibstoff y und einem spezifischen Impuls von z erhalten.

Mit der Wikipedia-Fusion-Engine erhalten wir einen spezifischen Impuls von 70.000. Aber was ist mit Schiffsmasse und Treibstoffmasse? Nehmen wir der Einfachheit halber eine Boeing 747 als Beispiel:
Eine leere 747 wiegt 178.756 kg und hat ein Höchstgewicht von 396.890 kg. Unter der Annahme, dass das gesamte zusätzliche Gewicht Kraftstoff ist, erhalten wir ein Delta V von 547.179 m/s. Das sind nur 15 % des Delta V, das wir brauchen.

Also keine direkte kontinuierliche Schubreise nach Jupiter ... aber wir können immer eine Ausrollphase in die Mitte einfügen. und wenn wir "nur" vom Mars in den Asteroidengürtel wollen...und davon ausgehen, dass unser Wikipedia-Fusionsantrieb noch etwas aufgerüstet werden kann...

Die Antwort lautet also: Vielleicht nicht ganz so wie in The Expanse . Aber wenn wir irgendeine Art von Fusionsantrieb zum Laufen bringen, werden wir Manöver verwenden, die viel näher an der weitenartigen Fahrt liegen als an unseren derzeitigen Hohmann-Transfers im "Kraftstoffsparmodus".

Damit eine Rakete mit kontinuierlichem Schub das tut, was Sie beschreiben, benötigen Sie einen Treibstoffanteil von 99,5 % oder 199 Einheiten Treibstoff für jede Nutzlasteinheit - etwas mehr als die 95 %, die für aktuelle Raketen typisch sind.
Wenn Sie meine Antwort noch einmal sorgfältig lesen, können Sie sehen, dass ich einen Treibmittelanteil von etwa 45% verwendet habe ;-).
Wenn Sie die Zahlen aus dem Wiki (mit freundlicher Genehmigung von @cybernard) einfügen, beträgt das Delta-v etwa 7,5 Mm / s, was ausreichen würde. Es würde sogar reichen, die Hin- und Rückfahrt mit einer Tankfüllung zu machen. Diese Erhöhung der Abgasgeschwindigkeit um den Faktor 15 hilft wirklich!

Ich beginne damit, die Zeiten und Beschleunigungen zu erwähnen, die in den Büchern für diese Serie angegeben sind. Die Behauptung ist, dass dieser Eisschlepper zu einer kontinuierlichen Beschleunigung von 1/3 G fähig ist, und tatsächlich ist eine viel höhere Beschleunigung möglich (erwähnt in dem Versuch, ankommenden Raketen zu entkommen, aber es werden keine Zahlen angegeben). Es wird auch behauptet, dass das Schiff 2 Hin- und Rückfahrten pro Jahr macht.

Da eine relativ hohe konstante Beschleunigung verwendet wird, ist eine elliptische Umlaufbahn kein gutes Modell für diese Fahrt.

Ich weiß nicht, wie man Umlaufbahnen mit kontinuierlicher Beschleunigung modelliert, also werde ich auf geradlinige Fahrten zurückgreifen, nur um zu demonstrieren, was 1/3G möglich macht.

Ceres und Saturn haben Orbitradien von 445.410.000 km und 1.509 g (laut Wikipedia), was einen Abstand von 1.954 g in der weitesten Entfernung ergibt. Unter der Annahme, dass das Schiff für die erste Hälfte der Strecke mit 1/3 G beschleunigt und dann umkippt, um die gleiche Beschleunigung in umgekehrter Richtung anzuwenden, erhalten wir eine Reisezeit über eine gerade Linie von 25,4 Tagen nach der folgenden Methode:

t=sqrt(2x/a) wobei x 977 Gm und a 9,8/3 ist

t = 1093767 Sekunden, was 12,7 Tagen für die Hälfte einer einfachen Fahrt entspricht

Wir müssen diese Zeit noch einmal verdoppeln, um die Hin- und Rückfahrt von 51 Tagen zu erhalten, klein genug, um die Behauptung des Autors von 2 Hin- und Rückfahrten pro Jahr zu erreichen.

Die errechneten Reisezeiten ermöglichen uns, dies mit bestehenden Seefrachtzeiten wie 2 Wochen bis 1 Monat für die Überquerung des Pazifiks zu vergleichen, wie auf der folgenden Website angegeben: https://www.reference.com/business-finance/long-cargo- ship-china-united-states-b7c6214e137c2e0a

Wenn die Reisezeiten mit den bestehenden Reisezeiten von Frachtschiffen verglichen werden können, können auch die damit verbundenen Karrierethemen verglichen werden. Bei nur 2-mal längerer Hin- und Rückfahrt denke ich, dass sie vergleichbar sind.

Wer bezahlt die medizinische Versorgung auf See während der Arbeit auf einem Frachtschiff? Was passiert, wenn ich meinen Job mitten auf einer Reise kündige? Muss mein Arbeitgeber mich am selben Hafen absetzen, an dem er mich abgeholt hat? Fragen der Meuterei und Disziplin? Irgendwelche anderen Überlegungen?

Ich bin mir einer Reihe von Problemen mit meiner Antwort bewusst, wie dem durch die Sonne verlaufenden Reiseweg, der Nichtübereinstimmung der Umlaufgeschwindigkeiten von Ursprung oder Ziel und dem allgemeinen Ignorieren der Umlaufbahnmechanik bei einem Umlaufproblem. Aber diese Nummerierung sollte nur eine Größenordnung angeben, um die Auswirkungen der Reise auf die Berufswahl zu diskutieren.

Später in dem Buch soll die Rosinante stundenlang mit 6 g beschleunigen, während die Besatzung in ihren Beschleunigungsstühlen liegt und mit Medikamenten vollgepumpt wird, um mit den Auswirkungen fertig zu werden.

http://expanse.wikia.com/wiki/Epstein_Drive

In diesem Artikel finden Sie Einzelheiten zu diesen Motoren.

 Thrust: 1,000,000 N
Specific Impulse (Isp): 1,100,000 seconds
Exhaust Velocity (Vex): 11,000,000 m/second (~3.7% of light speed)
Mass Flow (mdot): 0.09 kg/second
Thrust Power: 5,500,000 MWatt
Engine's Thrust to Weight Ratio: ~140
Propellant mass fraction (yacht's mass fueled / mass empty): ~4
Während dies die Frage theoretisch beantworten kann, ist es vorzuziehen , die wesentlichen Teile der Antwort hier aufzunehmen und den Link als Referenz bereitzustellen.
Ist Weltraumbergbau und -entwicklung, wie in der Fernsehsendung „The Expanse“ gezeigt, realistisch?
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