Möglichkeit der Verzögerung durch Kollision

Es gibt viele hypothetische Systeme, um Raumfahrzeuge der nahen Zukunft auf Geschwindigkeit zu bringen, von denen einige Geschwindigkeiten erreichen könnten, die die Relativitätstheorie verändern. Allerdings verzichten diese Systeme, um solch hohe Drehzahlen zu erreichen, oft auf extrem hohe Massenverhältnisse, die an Kraftstoffen und Motoren gegeben sind. Nehmen wir zum Beispiel Raumfahrzeuge mit Laserantrieb . Eine leblose Masse, die einen riesigen Drachen trampt.

Das Problem bei diesen Systemen ist, dass sie am anderen Ende Probleme bekommen würden, wenn es außerhalb der Absicht ihrer Designer wäre, vielleicht auf nicht-relativistische Geschwindigkeiten abzubremsen – und das, wenn noch ein Raumschiff vorzuweisen wäre. Für den Fall eines Laserantriebs würde das Raumfahrzeug einen Strahl an seinem Ziel benötigen, um abzubremsen.

Aber was wäre, wenn wir keinen Strahl hätten? Besser noch, was wäre, wenn unsere Technologie es uns erlauben würde, uns nicht darum zu kümmern? Könnten wir diesbezüglich brutal sein?

Stellen Sie sich ein Raumschiff vor, dessen genaue Abmessungen, Materialbeschaffenheit und Funktion noch nicht spezifiziert sind und das mit zehn Prozent Lichtgeschwindigkeit auf ein Sternensystem zufliegt. Kann ohne irgendein konstituierendes Unobtainium (mit bekannten Materialien) ein beliebig zweckmäßiges Teil des Raumfahrzeugs (angenommen, eine Komponente in der Größe eines Mikroorganismus) so hergestellt werden, dass es einem direkten Aufprall auf einen luftlosen Körper beliebiger Masse bei zehn Prozent Lichtgeschwindigkeit standhält und überlebt?

Grenzen der Kreativität:

Ein direkter Aufprall auf einen luftleeren Körper, sagen wir, den Mond, mit zehn Prozent Lichtgeschwindigkeit würde Millionen bis Milliarden Ges ziehen , ganz zu schweigen von der freigesetzten kinetischen Energie. Mikroorganismen können langlebige Dinge sein, und am nächsten bin ich der Erforschung ihrer Resistenz gegen hohe Beschleunigungsraten durch Lithopanspermie gekommen . Man darf von kleinsten Mikroorganismen ausgehen, vielleicht in der Größenordnung von Viren.

Ich würde vermuten, dass es hauptsächlich darum geht, ein Material zu finden, das den beteiligten Energien standhalten kann, und dieses dann zu vergrößern, um eine Komponente in der Größe von Mikroorganismen zu schützen – die ultimative Eiertropfen-Herausforderung. Wenn Sie es besser können als ein mickriges zellengroßes Ding, ist größer besser.

Das Raumschiff kann aus allem bestehen, kann alle (angemessenen) Abmessungen haben (halt es nur kleiner als tausend Kilometer Seitenlänge, okay?) und kann alles tun, was es tun muss, was auch immer das mit sich bringen mag . Es kann auch angenommen werden, dass es sich um ein Leichtsegel -Raumschiff handelt, muss es aber nicht sein.

Ich nehme an, diese Frage ist zweischneidig. Die Antwort kann aus diesen Gründen entweder Nein oder Ja lauten. Wenn Sie Vorschläge haben, wie einige Parameter angepasst werden können – sollte die Antwort wirklich klar nein lauten – bin ich dafür!

Möchten Sie, dass Ihr Reiseziel überlebt?
@JoeBloggs Sein Schicksal ist trivial.
Es wurden Methoden geplant, um Laser von der Erde sowohl zum Beschleunigen als auch zum Abbremsen zu verwenden. Werfen Sie einen Blick auf The Flight of the Dragonfly/Rocheworld für ein hartes wissenschaftliches Beispiel dafür, wie es gemacht werden könnte.
@Tim B: Mein erster Gedanke war, Retroreflektoren vor dem Hauptschiff zu starten, aber dann entschied ich, dass eine sich selbst aufbauende, kilometerlange Knautschzone kühler war.
@JoeBloggs Es ist sicherlich eine spektakuläre Art, Dinge zu erledigen. Hoffen Sie nur, dass niemand in der Nähe der Aufprallzone lebt, oder sie nehmen es persönlich! In FotD verwenden sie das primäre Lichtsegel zur Beschleunigung, nehmen es dann zur "Turnaround" -Zeit ab und verwenden es dann als fokussierenden Reflektor zurück zu einem kleineren Lichtsegel, das sich noch auf dem Schiff befindet.

Antworten (4)

Ja, aber wie bei vielen Dingen kommt es auf die Größe an.

Stellen Sie sich einen Stoßdämpfer vor. Sein Zweck ist es, eine plötzliche Verzögerung zu absorbieren und einen "Puffer" bereitzustellen, um sie in eine langsamere, akzeptablere Verzögerung umzuwandeln. Das gleiche Prinzip gilt für Knautschzonen. Wenn eine Knautschzone auf eine andere Knautschzone gestapelt werden kann, haben Sie mehr „Puffer“. Stack n Knautschzonen und die letztendliche Größe der Verzögerung können nahezu beliebig klein gemacht werden, insbesondere durch geschickten Einsatz von Geometrie etc.

Beim Aufprall werden Ihre anfänglichen Knautschzonen ziemlich verdampfen und ein Gas-/Flüssigkeitssubstrat schaffen, in das sich Ihre sekundären Knautschzonen einarbeiten können und so weiter und so weiter, wobei jede Knautschschicht der gesamten Struktur Energie raubt, bis schließlich Ihre endgültige Nutzlast sein kann von der Spitze des Stapels "geschleudert" und (hoffentlich) weit genug von dem jetzt höllischen Aufprallpunkt entfernt gelandet, dass es überleben wird.

Nun, die obigen Absätze setzen ein paar Dinge voraus: Das Wichtigste ist die Abwesenheit von Schwerkraft. Der Grund dafür ist, dass Ihre "Puffer" unterwegs im Weltraum gebaut werden können, wodurch Sie kilometerlange Stoßdämpfungszonen schaffen können, in denen die Energie der Kollision versenkt wird. Aber wenn die Schwerkraft den Stapel stärker nach unten beschleunigt als Ihre Knautschzonen den Stapel abbremsen, dann gewinnen Sie überhaupt nichts als viel Wärme. Dies ist eine Frage der Materialtechnik, und deshalb sollten Sie eher auf einen relativ kleinen Körper als auf einen wie die Erde abzielen, um (über eine dumm große Reihe von Stoßdämpfern, Knautschzonen und Erdnüssen) so viel Schwung auf das Ziel zu übertragen wie möglich.

Wo auch immer Sie treffen, Sie sollten mit weit verbreiteter Verwüstung rechnen.

Das Raumschiff, das sich selbst zu einem Stoßdämpfer zusammenbaut, sieht nach einer großartigen Idee aus! Ich bin kein Ingenieur, aber ich denke, dass die Stoßdämpfung, insbesondere bei hohen Geschwindigkeiten, alles mit der Schallgeschwindigkeit in dem Material zu tun hat, das die Dämpfung bewirkt. Sie möchten, dass das Material unten seinen Rückprallimpuls an das Material oben weiterleitet und es abbremst. Abgesehen davon, dass das Material oben mit zehn Prozent Lichtgeschwindigkeit auf das Material unten drückt, wahrscheinlich schneller als die Schallgeschwindigkeit in diesem Material.
Man könnte einen tausend Kilometer langen Stoßdämpfer bauen, aber mit jedem Zentimeter versuchen die unteren Partikel, die zurückprallende Welle nach oben zu verbreiten, während die oberen Partikel eine weitere Meile nach unten stürzen. Wie ein Fisch, der flussaufwärts schwimmt, außer dass der Fluss mit Endgeschwindigkeit fließt. Übersehe ich etwas?
@B.fox: Betrachten Sie es weniger als Stoßdämpfer als vielmehr als eine sich selbst aufbauende Atmosphäre aus verdampftem Metall, wenn Sie möchten. Oder schließen Sie eine aktive Absorption ein, um während des Aufprallereignisses Impuls vom Heck des Fahrzeugs nach vorne zu übertragen. Oder verwenden Sie magnetische Schocks, die über immaterielle Zeitskalen übertragen werden. Das Endergebnis ist immer noch viel Feuer! :-)
@Joe Bloggs "aktive Absorption zur Impulsübertragung" wäre hier die wichtigste technische Herausforderung. Wir müssen es bei 0,1c übertragen haben
@Alexander: Nein, Sie müssen es nur mit 0,0001 c pro Meter Puffer übertragen.
@Joe Bloggs, denken Sie daran, dass der führende Absorber es übertragen muss, anstatt sich einfach aufzulösen.
@Alexander: Ich würde mich für einen hybriden Ansatz entscheiden, bei dem das Blei zerfallen soll, wenn ein ganzer Satz Magnetschienen versucht, es nach vorne zu schlagen, wodurch eine Reihe vorgefertigter Stoßwellen erzeugt wird, die einen Impuls auf den nächsten noch funktionierenden Absorber übertragen zerfällt dann als etc etc etc. Wenn das Ganze richtig konstruiert ist, könnte das andere Ende des Schiffes auf einem dampfenden Haufen geschmolzener Schlacke praktisch zum Stillstand kommen.
@Joe Bloggs, also ist die große Frage, wie schnell sich die Schockwellen ausbreiten können?
@Alexander: nicht ganz. Wenn es ein solider Balken ist, dann ist es, wie b.fox sagt, die Schallgeschwindigkeit in diesem Material. Wenn Sie Magnete verwenden, können Sie diese Einschränkung umgehen (ish), aber mit aktiven Komponenten können Sie die „Welle“ früh in Bewegung setzen, da Sie steuern, wann verschiedene Teile feuern. Zum Teufel, wenn es nicht die Anforderung gäbe, dass es "Stop by Impact" sein muss, hätte ich vorgeschlagen, eine retroreflektierende Schüssel vor das letzte Schiff zu feuern, die Heimlaser zu verwenden, um Schwung von der Schüssel auf das Schiff zu übertragen, und abzustürzen nur das Gericht, während das Schiff einrollt!
@JoeBloggs Das ist der ideale Ansatz! Meine Geschichte verlangt jedoch etwas anderes :)
@B.fox: Keine Sorge, ich verstehe sehr gut, dass man unangemessen coole Sachen um einer Geschichte willen rechtfertigen muss. Ich habe ein ganzes interstellares Transitnetzwerk und ein galaktisches Regierungssystem entworfen, um ein Wortspiel in einem Kurzgeschichtentitel zu rechtfertigen ...
@Joe Bloggs Magnetabsorber könnten der richtige Weg sein. Herkömmliche aktive Komponenten müssten aktiviert werden, lange bevor die Spitze unserer Rakete das Ziel berührt. Andernfalls hätte das, was auch immer in der Mitte der Rakete aktiviert wird, keine Auswirkung auf die Nutzlast am Ende davon, weil sie für eine 1 km lange Rakete nur 0,0000166 s zur Ausbreitung hat.

Wenn ich deine Frage richtig verstehe...

  • Ihr Schiff mit (ich erkläre) Fracht und Besatzung bucht um 0.1c.
  • Es ist mit Cool Goo #18Ω bedeckt, das verwendet wird, um das Schiff beim Aufprall auf ein relativ unbewegliches Objekt zu verlangsamen.
  • Die Endgeschwindigkeit muss überschaubar sein, aber nennen wir sie Null (weil ich nicht glaube, dass es darauf ankommt, welche andere Zahl es ist).

Wir haben einige Probleme.

  1. Alle drinnen sind tot. Es gibt keine Möglichkeit, ihre Körper physisch so mit dem Schiff zu verbinden, dass es nicht jedem Knochen, jedem Muskel, jedem Organ gelingt, beim Abbremsen durch die Haut zu brechen und an der Windschutzscheibe zu haften. Aus diesem Grund verwenden Shows wie Star Trek Handwavium mit "Trägheitsdämpfung". Ihre Augäpfel würden aus ihren Höhlen kommen und in Flammen aufgehen, bevor sie die Innenseite Ihres Raumanzughelms treffen. (Es würde jedoch einen guten Horrorfilm abgeben.) Denken Sie daran, dass sich Ihre Crew mit 0,1 ° C bewegt und nicht das Privileg hat, Cool Goo # 18Ω in ihren Zellen zu sättigen (was auch keine Rolle spielen würde. Siehe unten). )

  2. Ihre Fracht ist aus dem gleichen Grund Plasma. Es könnte Ihnen gelingen, die Kreaturen so niederzuhalten, dass ihre kinetische Energie durch das Schiff zum Rumpf übertragen und mit Cool Goo #18Ω verbunden werden kann, aber der Inhalt wird und kann nicht ohne Handwavium (nennen wir es „Clarkean Magic“). Ich bin mir sicher, dass eines Tages jemand eine Lösung erfinden wird ... aber wenn sie hier erfunden werden könnte, sollte der Erfinder heute zum Patentamt rennen, anstatt eine Antwort zu posten.) Ihre Fracht ist also zerstört.

  3. Wir ignorieren die Tatsache, dass zwischen Ihrer Crew und Ihrer Fracht das Innere des Schiffes zerstört wird.

  4. Außen kollidiert Ihr Schiff beispielsweise mit einem Felsen in den Ringen des Saturn. Eines, das groß genug ist, um die Anforderungen des 3. Newtonschen Gesetzes zu erfüllen. Ich werde vorschlagen, dass Cool Goo #18Ω beim Aufprall bemerkenswert effizient 100 % der Energie, die durch die Kollision entsteht, absorbieren oder umwandeln kann. Was übrig bleibt, ist ein Felsen, der genauso dahinrollt, wie er vorher war, und Ihr Schiff ruht ruhig auf seiner Oberfläche.

Naja... irgendwie...

Sehen Sie, die Energie muss irgendwo hin. Was wird Cool Goo #18Ω damit machen? Verhält es sich wie eine große Batterie? Wandelt es es in eine Explosion um (wie eine ablative Panzerung gegen das ankommende Projektil)? Wenn es die Fähigkeit hat, die Energie zu speichern, so viel wie möglich in die Schiffsmotoren zurückzugeben und den Rest langsam als Wärme in den Weltraum zu verdampfen (das ist ernsthaftes Handwinken, BTW), dann verwendet das Schiff Triebwerke, um sich vom Felsen zu lösen, und fährt weiter seinen Weg.

Wenn es explodiert (eigentlich ablative Panzerung), wird eine Kraft auf das Schiff ausgeübt , die gleich und entgegengesetzt zur Bewegung des Schiffes ist (wir ignorieren, dass ein Teil davon tatsächlich gegen den Felsen ist ...). Das würde Ihr Schiff auf die sprichwörtlich zerdrückte Bierdose reduzieren. Was ist, wenn es nur in Wärme umgewandelt wird? Ihr Schiff (und der Felsen) würde schmelzen (oder verdampfen). Was ist, wenn es es in Kälte umwandelt? Das verstößt gegen die Gesetze der Thermodynamik, aber das Schiff und der Fels zersplittern, weil sie unendlich spröde werden. Was ist, wenn es es in Licht umwandelt? Das wäre eine klagende, coole Lichtshow, aber Photonen haben Energie, und die erzeugte Zahl würde Sie und den Stein knusprig verbrennen (denken Sie an Sonnenbrand ).

Am Ende besteht Ihr eigentliches Problem darin, was Sie glaubwürdig mit der Energie anfangen sollen. Ich kann Cool Goo #18Ω verwenden, um das Schiff zu schützen, während es mit einem hupenden großen Erdklumpen kollidiert, aber die Energie muss irgendwohin gehen. Es kann nicht einfach verschwinden (nun ... es gibt immer einen Subraum ... ). Beachten Sie, dass es aus diesem Grund nicht hilft, die Zellen Ihrer Crew mit Cool Goo #18Ω zu sättigen. Irgendwo muss die Energie hin.

Sie müssen sich einen glaubwürdigen Weg einfallen lassen, um eine unvorstellbar enorme Menge an Energie in einer verblüffend kurzen Zeit irgendwohin zu lenken. Ich weiß nicht, wo Sie es platzieren können, das nicht an sich destruktiv ist, es sei denn, Sie verwenden Handwinken.

Wirf es in den Planeten! Wenn Sie auf Mond A zielen, ist das Bremsen mit Mond B kein schlechter Plan, da Sie ihn ohne größere Sorgen vollständig sprengen können!
Zu Ihrer letzten Anmerkung, ich dachte, ich würde all diese Energie irgendwo in das Schiff stecken (und natürlich in den Aufprallkörper)! Ich bin damit einverstanden, dass das Schiff in eine brillante Wolke aus expandierendem, überhitztem Gas übergeht, solange seine kleine Nutzlast solide auftaucht.
@B.fox, also ist das Schiff selbst entbehrlich? Cool. Klingt teuer (suggeriert, dass die Transitzeit viel kritischer ist als die Transportkosten), aber cool.
@B.fox, vergiss nicht, dass jedes Masseteilchen beteiligt ist und alle diese Teilchen nicht elastisch miteinander verbunden sind. Es spielt keine Rolle, was sich zwischen der Fracht / den Passagieren und dem unbeweglichen Objekt befindet oder wie viel Energie es absorbiert, es wird die kinetische Energie der Fracht / Besatzung nicht realistisch absorbieren, die alle zerstört werden.
@JBH Ja, als ich über * Lorens Antwort nachdachte, vermutete ich, dass molekulare Bindungen die resultierenden Kompressionskräfte nicht überleben könnten. Sie würden stattdessen wahrscheinlich eine interessante Suppe aus Ionen und Elementarteilchen bekommen

Es gibt einen Namen dafür, es heißt Lithobraking . Wenn Sie Live-Material in einem Lithobremsschiff senden, können Sie den üblichen Kontrollzentrum-Countdown auch durch eine Präsentation der Verantwortlichen ersetzen, die mit " and this is Jackass" angehängt ist .

Lithopanspermia verlässt sich auf eine andere Form der Verzögerung, das Aerobraking, um einen Kometen oder was auch immer von einer Handvoll Klicks pro Sekunde auf einige hundert Meter pro Sekunde in oberen Atmosphären und möglicherweise sogar langsamer zu bringen. Das ist ein paar Größenordnungen weniger extrem als das, was Sie vorschlagen.

Insbesondere wenn man relativistisch gegen ein Hindernis vorgeht, wird es zu einer Kernspaltung kommen. Das von Ihnen vorgeschlagene Szenario ähnelt dem der folgenden Frage:

Welche Auswirkungen hätte ein Treibmittel, das sich nahezu mit Lichtgeschwindigkeit ausdehnt, auf die Schusswaffentechnologie?

Und das Ergebnis ist sehr ähnlich, also zitiere ich meine eigene Antwort von dort:

Der allererste XKCD - was wäre wenn Artikel befasst sich genau damit. Das Szenario ist ein Baseball, der mit 90 % der Lichtgeschwindigkeit geworfen wird. Es ist eine sehr unterhaltsame Lektüre, und wie viele andere XKCD-Was -wäre-wenn-Fragen und Fragen mit dem wissenschaftlichen Tag wird jeder, der sich mit dem in der Frage vorgeschlagenen Phänomen befasst, auf sehr spektakuläre Weise in Partikel zerlegt.

TL;DR: Bei nahezu Lichtgeschwindigkeit haben Teilchen mit Masse genug Energie, um Kernreaktionen auszulösen. Hier ist Randall Munroes künstlerische Vorstellung davon, was passiert, wenn die Masse in einem Fall die eines Baseballs ist:

Meine Augen! Es brennt!

Sie haben ein Projektil, das eine Größenordnung langsamer ist, aber da Sie eine Rakete senden, stelle ich mir vor, dass es einige Größenordnungen massiver ist, sodass Sie ein noch ungünstigeres Szenario erhalten. Der Mangel an Atmosphäre hilft nicht - es gibt keine Luft, um einen wachsenden Plasmaball zu bilden, aber der Boden und das Schiff werden in eine Mischung aus Plasma und geschmolzenem Metall und Gestein verwandelt - und selbst wenn sie es nicht getan hätten , wie würden die Mikroben in der Rakete überhaupt das harte Vakuum des Weltraums überleben?

Fusion, nicht Spaltung.
Bakterien können Jahre im Vakuum des Weltraums überleben
@AdrianZhang Fusion erfordert mehr Energie als Spaltung. Spaltung ist in diesem Szenario wahrscheinlicher.
Sie schlagen also vor, dass es aufgrund der Menge an Energie, die bei einer solchen Interaktion freigesetzt wird, unmöglich ist? Ich würde nicht glauben, dass das Vorhandensein einer Atmosphäre vorteilhaft wäre, da unser "Raumschiff" sie mit 30.000 Kilometern pro Sekunde durchquert. Für 100 km Atmosphäre sind das etwa 3 Millisekunden potenzielle Schleppzeit. Außerdem war "Mikroorganismen" nur ein Platzhalter für etwas fiktives Synonym, das im Hartvakuum keine Probleme hat, vielleicht Nanomaschinen.
@B.fox 3 ms würden keinen merklichen Unterschied darstellen; Außerdem würde die Atmosphäre um das Schiff Kernreaktionen erleiden und zu einem Plasma werden, das heißer ist als die Oberfläche der Sonne. " Außerdem war "Mikroorganismen" nur ein Platzhalter für etwas fiktives Synonym, das im harten Vakuum keine Probleme hat, vielleicht Nanomaschinen" , es wurde nicht gefragt, aber das Nanomaschinelle würde auch verdampft werden.
@Renan Nun, es wurde insofern gefragt, ob die Nutzlast - die "Komponenten in Mikroorganismusgröße" - den Übergang überlebt. Wenn das jedoch Ihr Punkt ist, dann verstehe ich Ihren Punkt: Nichts überlebt.
@Renan Der xkcd-Artikel, den Sie zitieren, erwähnt das Auftreten einer Fusion, keine Spaltung.

Realistisch, nein.

Betrachten wir etwas, das 1 kg wiegt und mit 10 % der Lichtgeschwindigkeit auftrifft. Das sind 453.408.126.873.804 Joule Energie. 4,5 E + 14 J, um es überschaubarer zu halten.

Ich bin mir nicht sicher, was am schwierigsten zu verdampfen ist, aber unter den Elementen ist es eindeutig Bor. (Vielleicht gibt es eine Verbindung, die schwieriger ist, wenn ja, ist mein Google-Fu nicht in der Lage, sie zu finden.)

Um 1 kg von Raumtemperatur auf seinen Verdampfungspunkt zu bringen, werden ungefähr 2,3 MJ benötigt, plus 4,7 MJ, um es zu schmelzen, und weitere 45,3 MJ, um es zu verdampfen. Somit werden 52,3 MJ = 5,23 E + 7 J absorbiert, um es in ein Gas umzuwandeln, das offensichtlich nicht in der Lage sein wird, viel mehr zu tun. Beachten Sie, dass dies etwa 1 Millionstel der Energie ist, die dissipiert werden muss. Ich kann mir kein System vorstellen, das so effizient ist, um dies zu überwinden.

Es gibt auch das Problem, platt gequetscht zu werden. Ich zerbreche jeden Taschenrechner, den ich finde, wenn ich versuche, eine Beschleunigung einzugeben, die groß genug ist, um ihn in 1 km anzuhalten.

Ja, ich stelle mir vor, dass dies für eine stumpfe Masse der wahrscheinliche Fall ist, obwohl ich nicht glaube, dass die gesamte Energie zurück in das kollidierende Objekt umgeleitet würde. Einige würden in den Körper, mit dem sie kollidierten, und andere als Licht in den Weltraum zerstreut werden. Allein die Druckkräfte würden wahrscheinlich ausreichen, um die meisten molekularen Bindungen zu zerstören. Das Ergebnis wäre wahrscheinlich viel überhitztes Gas, wie Sie vorschlagen.
Möglichkeit der Verzögerung durch Kollision
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