Perfekte Zentrifugenbesatzungsunterkünfte für ein interstellares Raumschiff?

Modulare Konstruktionen sind etwas einfacher zu bauen, nach dem Bau viel einfacher zu erweitern, Abschnitte sind viel einfacher zu isolieren und ermöglichen es Ihnen, am Nabenende jedes Arms einen Drehpunkt zu haben, damit die Richtung und Stärke der künstlichen Schwerkraft gleichmäßig beibehalten werden kann unter Schub.

Aneinandergrenzende Torus- oder zylindrische Formen haben seltsame Effekte zur Ladezeit und Bremszeit, da die Richtung der Schwerkraft aus Sicht des Inhalts nicht "unten" sein wird. Dies ist kein Problem für Raumstationen oder im Leerlauf befindliche Raumfahrzeuge oder sogar Raumfahrzeuge auf relativ kurzen Flügen mit kurzen Triebwerksverbrennungen, aber da Raumschiffe wahrscheinlich übermäßig lange Schub- und Bremsphasen (möglicherweise Jahre) haben, die Sie entwerfen möchten Ihre Gravitationsdecks, um mit dieser Situation fertig zu werden. Es gibt eine verwandte Frage auf dieser Seite, die relevant sein könnte (Warnung: Sie enthält eine lange weitschweifige Antwort von mir): Wie schnell kann ein Schiff mit rotierenden Lebensräumen beschleunigt werden?

Wenn Ihr Raumschiff relativ schnell unterwegs ist (womit ich meine "könnte in weniger als 100 Jahren zu einem anderen Stern gelangen"), benötigen Sie eine anständige Abschirmung nach vorne, um Ihr Schiff vor Kollisionen mit interstellarem Staub zu schützen und die Strahlungsgefahr zu verringern eingehender Partikel. Abschirmung ist tote Masse, also wollen Sie wirklich so wenig wie möglich davon. Sie konzentrieren Ihre Abschirmung daher auf die Vorderseite Ihres Schiffes (oder Wohnabschnitts) und haben dahinter eine laaange Struktur. Eine zylindrische Form mit einer abschirmenden Endkappe ergibt Sie haben viel mehr Volumen für eine bestimmte Abschirmfläche als ein Torus. Ich habe kürzlich ein schönes Papier über ein segmentiertes zylindrisches Raumschiffdesign gefunden, und ich scheine es verloren zu haben. Entschuldigung :-(

Denken Sie schließlich daran, dass gefrorene oder getrocknete Fleischladungen sich nicht um die künstliche Schwerkraft kümmern und einfacher zu verpacken und abzuschirmen sind.

In Ermangelung des segmentierten Designs, das ich zu teilen gehofft hatte, betrachten Sie stattdessen die ISV Venture Star , das Raumschiff von Avatar .

Rot hervorgehobener Bereich mit gedrehter Schwerkraft (modifiziertes Bild aus der oben verlinkten Frage zur gedrehten Schwerkraft von Galaxy), der derzeit für den Schubmodus zusammengeklappt ist. Der Gravitationsabschnitt ist winzig, er bleibt bei hohem Schub nützlich, fast die gesamte Nutzlast befindet sich in ungesponnenen Speicherabschnitten. Der größte Teil des restlichen Designs des Schiffes ist auch ziemlich hochwertig, mit der kleinen Ausnahme des Flipovers während des Kurses (was Selbstmord ist) und der Verwendung von Raketen zum Bremsen anstelle eines Magsegels. Abgesehen davon ist dies ein ausgezeichneter Ausgangspunkt für alle Fragen zum Raumschiffdesign.

Werfen wir jedoch einen kurzen Blick auf den Ansatz des "kontinuierlichen Schubs", um künstliche Schwerkraft bereitzustellen.

Es dauert ungefähr 11 Jahre und 285 Tage (aus der Sicht eines externen Beobachters), um mit einem kontinuierlichen 1 g zu einem Ort zu fliegen, der 10 Lichtjahre entfernt ist, und an Ihrem Ziel anzuhalten. Am Wendepunkt reisen Sie mit etwa 0,987 °C, einem Lorentz-Faktor von etwa 6,16, und Sie haben eine kinetische Energie von etwa 4,6 x 10 17 ^Joule pro Kilo Schiff . Ein 100000-Tonnen-Raumschiff benötigt über seine gesamte Flugzeit eine durchschnittliche Motorleistung von etwa 2,5 x 10 ^{17 Watt, was etwa 1,14 auf der Kardashev-Skala entspricht.}

Jedes Nukleon, das Sie bei dieser Geschwindigkeit treffen, hat ungefähr 6 GeV Energie (vergleichen Sie mit ~2 GeV Energie, die freigesetzt wird, wenn ein Nukleon und ein Antinukleon vernichten), und Sie benötigen eine Abschirmung, die mehreren zehn Metern Wasser pro Quadratmeter Schiffskreuzung entspricht. Abschnitt, um alle organischen und elektronischen Dinge sicher aufzubewahren. Ein Zylinder mit einem Radius von 10 m würde daher mindestens 6000 Tonnen frontale Wasser- oder Eisabschirmung benötigen (realistischerweise werden Sie mehr wollen, insbesondere wenn Sie während der Reise mit Massenverlusten umgehen müssen!), Abschirmmasse für galaktische kosmische Strahlen und nicht eingeschlossen welches Antriebssystem auch immer verwendet werden könnte.

Je länger die geflogene Strecke wird, desto schlimmer wird dies, weil die Spitzengeschwindigkeiten umso höher sind.

Auch nicht, weil Sie die Zentrifugalgravitation überhaupt nicht wollen

Es gibt zwei Dinge, die für interstellare Reisen wichtig sind;
1) Wirklich schnell fahren
2) Dinge nicht treffen

Wenn Sie mit diesen der Reihe nach umgehen, benötigt Ihr interstellares Raumschiff einen Motor mit konstantem Schub für die Reise. Warum? Da Sie sehr lange Strecken zurücklegen und einen „immer eingeschalteten“ Motor haben, profitieren Sie selbst bei geringer Beschleunigung immer noch von der Geschwindigkeitsverstärkung über interstellare Entfernungen im Vergleich zu einer normalen chemischen Rakete, die Ihnen sehr viel gibt Gute Beschleunigung über einen kurzen Zeitraum. Was Sie also wollen, ist ein sehr effizienter Ionen- oder Plasmaschubantrieb, der über Jahre, vorzugsweise Jahrzehnte, Beschleunigungen zwischen 4 und 10 m/s ^{2 erreichen kann.}

Warum dieser spezielle Bereich? ^{Nun, die Schwerkraft der Erde beschleunigt uns mit etwa 9,8 m/s 2} zum Kern des Planeten, was bedeutet, dass der Beschleunigungsbereich oben Ihnen einen Beschleunigungsbereich zwischen 0,4 und 1 Erdgravitation geben würde, was bedeutet, dass Ihre Crew dies nicht tun würde Rotation brauchen, um bequem zu sein, das Schiff würde es für sie tun. Auf halbem Weg drehen Sie das Schiff einfach um 180 ^Grad und schieben weiter - Ihr Motor bremst Sie dann wieder ab, aber für die Person auf dem Schiff wird es sich genau gleich anfühlen und Sie müssen nicht einmal Ihre Möbel umdrehen die Decke.

Was das Nicht-Schlagen betrifft, so wird Sie jeder Beschleunigungsmotor, der über einen längeren Zeitraum zu solchen Schubwerten in der Lage ist, sehr schnell fahren lassen, insbesondere in der Mitte der Fahrt. Je nachdem, wohin Sie gehen, landen Sie möglicherweise bei einem gewissen Anteil an Lichtgeschwindigkeit, was bedeutet, dass selbst interstellarer Staub ein Problem für Sie darstellen wird. Wie vermeiden Sie es? Nun, zwei Möglichkeiten; einen großen Schild aus entbehrlicher Materie wie einen Eisschild vor sich haben und sich selbst nicht zu einem großen Ziel machen.

Tatsächlich möchten Sie ein möglichst niedriges Frontprofil haben, damit Sie die Größe Ihres Schildes (und damit Ihrer Masse) nicht mehr als nötig erhöhen müssen.

Letztendlich bedeutet das, dass Ihr interstellares Schiff eher wie ein Leuchtturm als wie ein Hamsterrad aussehen wird. Ihre Crew wird durch den konstanten Schub des Motors etwas erfahren, das sich wie Gravitationskraft anfühlt, und Sie werden nichts aus der Seite des Schiffes herausragen lassen, wenn Sie dies möglicherweise vermeiden können.

Hinzu kommt die Tatsache, dass eine Winkelgeschwindigkeit mehr bewegliche Teile, mehr Wartung und mehr Dinge bedeutet, die auf Ihrer Reise schief gehen können, und es wird klar, dass das Anbringen von rotierenden Abschnitten an Ihrem Schiff nur eine Rute für Ihren Rücken ist. So werden die Schiffe in Zukunft einfach nicht aussehen, egal wie beeindruckend die Konzeptkunst sein mag.

Etwas kontraintuitiv würde ich vorschlagen, dass das Problem nicht wirklich die künstliche Schwerkraft ist, sondern eher der Schutz des Raumfahrzeugs und der Systeme vor den Auswirkungen hochenergetischer Strahlung und dem Aufprall mit interstellaren Gasmolekülen und Staubpartikeln bei Reisen mit hohen Bruchteilen von c .

Das Schiff muss durch verschiedene aktive oder passive Systeme geschützt werden, was wahrscheinlich zu Designs führen wird, die der klassischen „Eistüte“ ähneln.

Der Platz ist nicht wirklich so, wie Sie es erwarten

Dies kann in beide Richtungen funktionieren: Die Schutzmasse (wahrscheinlich Eis) wird in die "Spitze" des Kegels gepackt und das Schiff mit dem breiten Ende nach vorne beschleunigt. Dies hat den doppelten Zweck, so viel Schutzmasse wie möglich nach vorne zu bringen und die Masse als eine Art "Wachschild" zu verwenden, sodass sich der Rest des Kegels in einem viel härteren Vakuum bewegt als sogar im interstellaren Raum. Der rotierende Torus oder die rotierenden Module können innerhalb des Kegels untergebracht werden, obwohl sie aufgrund von Größenüberlegungen nahe an der Schutzmasse vorne sein müssen, um sicherzustellen, dass der Ring groß genug ist, um die gewünschte Schwerkraft bei einer niedrigen Rotationsgeschwindigkeit zu erreichen.

Durch Umkehren der Anordnung würde dann das spitze Ende des Kegels in Fahrtrichtung zeigen, und der Kegel selbst würde aus Eis, Stein oder einem technischen Verbundmaterial bestehen. Der rotierende Teil würde dann durch die Masse des Konus abgeschirmt und kann relativ größer sein, da der Konus verlängert werden kann, um ihn an den benötigten Durchmesser anzupassen. Dies würde auch eine etwas einfachere Anordnung zur aktiven Abwehr ermöglichen, ein Laser kann entlang der Achse des Kegels angebracht werden, um störende Partikel zu ionisieren, und ein magnetisches oder elektrostatisches "Netz" kann entlang der Außenseite des Kegels platziert werden, um die Partikel abzulenken . Der Vorteil davon ist, dass die Maschinen in den Kegel gepackt werden können, ohne dass der rotierende Lebenserhaltungsabschnitt beeinträchtigt werden muss, der im Wesentlichen hinter dem Kegel mitgeschleppt wird.

Angesichts der Tyrannei der Raketengleichung ("jedes Gramm zählt") würde jede Anordnung wahrscheinlich eine Art gestrahltes Energiesystem erfordern, um das eigentliche Raumschiff mit Strom zu versorgen. Das „nach hinten zeigende“ Raumschiff könnte tatsächlich einem Tannenzapfen ähneln, mit Hunderten von separaten Paneelen, um die einfallende Energie einzufangen oder als Radiatorpaneele zu fungieren

Raumfahrt kann auch organisch sein

Da meiner Meinung nach Einfachheit der Schlüssel sein sollte, sollte der Lebenserhaltungsabschnitt in beiden Anordnungen ein Torus sein, der an der Schiffsstruktur selbst befestigt ist (das gesamte Schiff dreht sich um seine Achse), um Drehgelenke und andere mögliche Fehlerquellen zu eliminieren . Die variable Schwerkraft aufgrund von Beschleunigung kann bei der Konstruktion berücksichtigt werden (bei konstanter Beschleunigung kann der "Boden" geneigt werden, um dies widerzuspiegeln), oder die Besatzung verwendet einfach Handläufe und andere Mobilitätshilfen, wenn die Beschleunigungs- und Verzögerungszeiten sind kurz. In sehr extremen Fällen, wie z. B. einer Beschleunigung von 1 g, wird die Drehung einfach gestoppt und die Besatzung und Ausrüstung mit "Vorwärts ist oben" ausgerichtet, während sich das Schiff dreht, wenn es nicht beschleunigt wird, und "Außenbord ist unten".

Schutz ist der Schlüssel. Selbst wenn das Schiff die Besatzung während des größten Teils der Reise im freien Fall haben soll, müssen die Besatzungs- und Lebenserhaltungsabteilung dennoch vor den Auswirkungen hochenergetischer Strahlung und dem Aufprall von Gasmolekülen und Staubpartikeln geschützt werden.

Wie andere bereits betont haben, ist die Raketengleichung brutal und die Mission wird das Design des Raumfahrzeugs bestimmen. Selbst hocheffiziente Fusions- oder Antimaterieantriebe funktionieren nicht gut genug, um interstellare Reisen wirklich bequem zu machen. Ihre einzige Hoffnung besteht darin, die Raketengleichung zu umgehen. Ihre beste Hoffnung sind Konzepte wie Sail Beams , da sie den Treibstoff und die Ausstoßmasse zurück in Ihr Heimatsystem und weg vom Raumschiff bringen. Damit gilt die Raketengleichung nicht mehr für Sie.

Beamrider benötigen große, kreisförmige Magnete, um die Magnetfelder zu erzeugen, die den Impuls vom Segelplasma auf das Raumschiff übertragen. Diese möglicherweise kilometergroßen Megastrukturen sind dort, wo Sie Ihre Infrastruktur anbringen möchten, optimal verteilt um die Ringe. Hier gibt es mehrere Optionen, von denen keine überlegen erscheint. Sie könnten einen rotierenden Ring auf der Innen- oder Außenseite des Magnetrings bauen und erhalten kostenlos einen riesigen Radius. Ein riesiger Radius macht die Sache mit der Spingravitation viel einfacher. Ein Passagierschiff könnte für eine solche Einrichtung am besten geeignet sein. Sie können auch mehrere kleine Zentrifugen verwenden, entweder Ringe oder Module im 90-Grad-Winkel zum Hauptring. Dies ist wahrscheinlich besser für Frachtführer und hat den netten Nebeneffekt, dass Sie sehen können, wie die relativistischen Kill-Raketen, die Sie für den Antrieb verwenden, einige hundert Meter von Ihnen entfernt durch das Schiff fliegen, wenn das Fahrzeug langsamer wird. Wenn Sie darauf stehen.

Wenn ich die beiden Ansätze vergleiche, würde ich sagen, dass der rotierende Ring wahrscheinlich einige Vorteile gegenüber den verteilten Modulen hat. Erstens ermöglicht seine Größe einen langsameren Betrieb und seine Größe reduziert die Auswirkungen von Gezeiten- und Corioliskräften. Darüber hinaus erleichtert der große Ring die Kämmbeschleunigung mit der Spingravitation. Das Abwinkeln des Bodens, möglicherweise auf einstellbare Weise, reicht aus. Die kleineren Lebensräume werden ständig eine gewisse Verschiebung in der Stärke und im Winkel der Schwerkraft erfahren. Das ist nicht toll, aber man würde sich wahrscheinlich daran gewöhnen.

Eine andere zu berücksichtigende Option wäre die Verwendung sehr kleiner Schlaf- und Arbeitsräume mit Schwerkraft. Zentrifugen müssen aufgrund von Gezeiten- und Corioliskräften groß sein, aber beide sind viel weniger stark, wenn man sich nicht bewegt. Diese Zentrifugen könnten Durchmesser von deutlich unter 10 Metern haben. Du schläfst dort und erledigst dort deine Schreibtischarbeit. Und du bewegst dich nicht.

Als Randbemerkung werden Sie auf Leute stoßen, die behaupten, dass Menschen genau ein G, 10 m/s^2, brauchen, um auf einem Raumschiff gut zu sein. Für diese Behauptung gibt es keine wissenschaftliche Grundlage. Wir wissen nur, dass 0G schlecht für uns ist und dass 1G überlebensfähig ist. Wir haben keine Daten für die Schwerkraft dazwischen. Viele der Auswirkungen von 0G sind auf das völlige Fehlen der Schwerkraft zurückzuführen. Vielleicht sind sogar 0,1 G vollkommen gesund, wenn man sich ausreichend bewegt. Vielleicht können wir außerhalb einer 1G-Umgebung wirklich nicht überleben. Wir wissen es einfach noch nicht. Aber wenn Sie für Ihre Geschichte davon ausgehen, dass ein niedriges G ausreicht, wird das Design von Raumfahrzeugen einfacher.