Was würde es kosten, eine 1-Gramm-Nutzlast zum CMBR-Ruherahmen zu bringen (dh Δv 368 km / s?)

Angenommen, wir wollten ein sehr kleines Experiment im Ruhesystem der kosmischen Mikrowellenhintergrundstrahlung (oder sehr nahe daran) durchführen, zu dem wir uns mit 368 ± 2 km/s bewegen. Ohne die Komplexität der Messung und Übertragung der Ergebnisse nach Hause zu berücksichtigen, wie würden wir überhaupt eine 1-Gramm-Nutzlast auf ein so hohes Delta- V bringen ? Was würde es kosten?

Gibt es eine Möglichkeit, die Kosten basierend auf dem erforderlichen Delta- v naiv zu extrapolieren ?

368 km/s gehen weit über unsere derzeitigen Möglichkeiten hinaus, selbst bei Verwendung von Ionenmotoren oder anderen in der Entwicklung befindlichen hocheffizienten Motoren. Es ist also ziemlich bedeutungslos, ihm einen Geldwert zuzuweisen, aber vielleicht macht es trotzdem Spaß!
Es kann derzeit nicht von Raketentriebwerken durchgeführt werden. Sie können sich mit der Raketengleichung en.wikipedia.org/wiki/Tsiolkovsky_rocket_equation üben . Beachten Sie, dass das Hauptproblem darin besteht, dass wir selbst mit Ionenmotoren keine ausreichend hohe Abgasgeschwindigkeit erreichen können. Ich schätze, vielleicht könnte eine Magnetschwebebahn im Vakuum theoretisch ...
@Jack Ich denke, Sie übertreiben die Situation der Hoffnungslosigkeit / Sinnlosigkeit. Es ist zwar noch nicht etwas, das Sie aus einem Katalog bestellen können, aber es sollte genug Arbeit an praktischen Realisierungen von Sonnensegeln geben, um eine Schätzung anzustellen. Siehe Wie werden die Retroreflektoren des LightSail 2-Raumfahrzeugs der Planetary Society verwendet? Anhand dieser Antwort lässt sich auch abschätzen, wie dünn das Segel wäre, um diese Geschwindigkeit zu erreichen (ca. 0,1 % c) .
@Jack Diese Geschwindigkeit ist viel niedriger als die vom Breakthrough Starshot -Projekt in Betracht gezogenen Geschwindigkeiten. Wenn dies also mit einem Laser anstelle von Sonnenlicht durchgeführt würde, bräuchte es nicht annähernd so viel wie das 100-Gigawatt-Laserarray von Breakthrough Starshot - was ist das aktuelle Denken wie das könnte funktionieren?
@uhoh Einverstanden, aber diese Technologien befinden sich noch in der Entwicklung, daher wäre es meiner Meinung nach spekulativ, über den sehr kleinen Datensatz getesteter Prototypen hinaus zu extrapolieren und einen Geldwert anzugeben. Ich schreibe eine Antwort für konventionelle Motoren. Könnten Sie eine schreiben, die die von Ihnen erwähnten Technologien abdeckt?
@Jack nein, aber ich fühle mich nicht gezwungen, einen Kommentar zu hinterlassen, der besagt, dass die Frage nicht beantwortet werden kann oder die Antwort auch "ziemlich bedeutungslos" wäre. Sie könnten das stattdessen in Ihre Antwort aufnehmen.
Es hängt unter anderem von Ihrer Zuladung ab. Ich denke, es könnte möglich sein, eine Nutzlast in dieser Größenordnung sehr schnell auf diese Geschwindigkeit zu beschleunigen, indem entweder eine nukleare Explosion oder eine Laserablation von einem gepulsten Hochleistungslaser verwendet wird. Die benötigte KE beträgt etwa 100 MJ, die in < 100 Impulsen der National Ignition Facility enthalten sind. Diese wären ziemlich billig (insbesondere wenn Sie mehrere Starts durchführen möchten), aber die Nutzlast müsste ziemlich robust sein. Ein Laser-Lichtsegel oder möglicherweise eine Coilgun könnten eine sanftere Beschleunigung (z. B. < 10000 g) bewirken.
@SteveLinton Beim Antrieb geht es um Schwung, nicht nur um Energie. Sie brauchen eine Reaktionsmasse oder zumindest etwas, um den entgegengesetzten Impuls zu tragen. Es ist schwer vorstellbar, wie diese wirklich etwas auf 0,001 c beschleunigen könnten
@uhoh Laserablation ist ziemlich effektiv. Sie sprengen die Oberflächenschicht von etwas in Plasma und die elektrischen Felder des Lasers beschleunigen die Ionen auf nahezu Lichtgeschwindigkeit. Die Hälfte davon trifft die Nutzlast und die andere Hälfte ist Reaktionsmasse.

Antworten (2)

Mit aktuellen Technologien ist dies leider weit außerhalb unserer Reichweite. Es gibt jedoch ein Versprechen am Horizont!

Chemische Motoren

Die Tsiolkovsky-Gleichung ist immer Ihr Freund bei der Berechnung von Δv für herkömmliche Motoren (oder Ihr Feind, je nachdem, wie Sie es betrachten!):

Δ v = ich s p × g × ln ⁡ M a s s f u l l M a s s d r j

Die Neuordnung zur Lösung des Kraftstoffverhältnisses ergibt:

R a t ich Ö = M a s s f u l l M a s s d r j = e Δ v ich s p × g

Es ist diese Exponentialfunktion, die uns Probleme bereitet. Auch wenn wir einen der effizientesten chemischen Motoren der Geschichte verwenden, den Hauptmotor des Space Shuttles ( ich s p ~ 452s), ignorieren Sie seine Masse und ignorieren Sie die Masse aller Tanks / Rohrleitungen / anderen Strukturen, wir erhalten eine untere Grenze von M a s s f u l l ≈ 10 33 kg oder die 1000-fache Masse der Sonne. Wenn wir die gesamte erforderliche Struktur einbeziehen, um all diesen Brennstoff aufzunehmen, wird dies noch schlimmer!

Wir könnten diese Zahl durch den Einsatz von Staging erheblich reduzieren, aber es wird uns eindeutig nichts Mögliches bieten, geschweige denn erschwinglich. Wir müssen uns also für eine höhere Effizienz entscheiden.

Motoren mit hohem Wirkungsgrad

Wenn wir eines der effizientesten geflogenen Triebwerke verwenden, Dawns Ionenstrahlruder ( ich s p ~ 3100s) und beinhalten die Masse des Motors und der Tanks ( 8,2 kg Motor , Tanks basierend auf einem Quadratwürfel von 450 kg Kraftstoff: 19 kg Tanks), erhalten wir M a s s f u l l ≈ 5 × 10 14 kg - immer noch völlig unmöglich.

Aber wir können es besser machen.

Der in Entwicklung befindliche Dual-Stage Gridded Ion Thruster (DS4G) der ESA wurde kalkuliert, um eine zu erreichen ich s p um die 20000er .

Tauschen Sie Dawns Ionenantriebs-Ionenmotor gegen einen mit der gleichen Masse mit einem ich s p der 20000er werden uns enorme 82km/s bringen ! Wenn wir mehr Treibstoff hinzufügen und die Masse des Tanks entsprechend skalieren, können wir unsere 368 km / s mit einer Gesamtfahrzeugmasse von ~ 6000 kg erreichen - absolut erreichbar!

Dawn hat etwa 450 Millionen Dollar gekostet , also würde ich für den Bau und Start unseres hypothetischen Raumschiffs mit sehr groben konservativen Kosten von 1 Milliarde Dollar spekulieren. Skaleneffekte sparen uns Geld bei der größeren Masse und die Startkosten werden nicht wesentlich höher sein. Dabei werden natürlich die Kosten für die Entwicklung der zweistufigen Technologie außer Acht gelassen, die sehr schwer abzuschätzen wären.

Andere Technologien

Wir können sehen, dass uns die Raketengleichung bei allem, was wir versuchen, irgendwann beißen wird, also warum versuchen wir nicht etwas, das keinen Treibstoff benötigt?

Breakthrough Starshot ist eine Proof-of-Concept-Technologie, die angeblich eine Geschwindigkeit von weit über unseren 368 km/s erreichen kann – in der Größenordnung von 0,1 c! Es verwendet bodengestützte Gigawatt-Laser (sprich: Spitzenleistung vergleichbar mit großen Ländern), um winzige Fahrzeuge mit extrem hoher Beschleunigung anzutreiben.

Diese Art von Antrieb wäre ideal für Ihren Vorschlag – das Fahrzeug würde die erforderliche Geschwindigkeit in sehr kurzer Zeit erreichen, was die erforderlichen Korrekturen aufgrund von Gravitationseinflüssen minimiert und die Notwendigkeit großer Übertragungssysteme zunichte macht.

Die Art von Infrastrukturinfrastruktur wäre eindeutig unglaublich teuer – wahrscheinlich in der Größenordnung des Infrastrukturbudgets ganzer Länder – 100 Mrd. USD – 1 Mrd. USD .

Breakthrough Starshot setzt jedoch darauf, dass die Kosten für Komponenten deutlich sinken und die Effizienz mit dem Fortschritt der Technologien steigt. Einige Schätzungen gehen von Kosten für eine einzelne Mission von 5-10 Mrd. $ im Jahr 2036 aus, mit spekulativen Kostenrückgängen. Auch dies berücksichtigt nicht die Kosten für Forschung und Entwicklung.

Hinweis: Ich habe versucht, einige Spekulationen und Schätzungen zu den damit verbundenen Kosten anzustellen, aber sie sollten alle mit einer Prise Salz aufgenommen werden. Da die Nutzlast von 1 g nicht spezifiziert ist, gehe ich davon aus, dass sie an die Anforderungen des Fahrzeugs angepasst werden kann

Angenommen, alles befindet sich bereits im Orbit (nachdem Staging und eine extreme Anzahl von Starts zum Zusammenbauen im Orbit verwendet wurden), wie viel Kraftstoff wird mit dem STS-Hauptmotor und einem Tankgewicht von 10% (das ist nominal, richtig?) Auf Δv 368 gebracht km/s? Und wie viele Saturn V (oder das heutige Äquivalent; w\e ist besser) würde es brauchen, um all diesen Treibstoff in die Umlaufbahn zu bringen?
@Mazura deutlich mehr als 10 33 kg, was die untere Grenze für die Kraftstoffmasse ist, wenn man einen masselosen Motor und einen masselosen Tank annimmt! Wenn Sie ihnen beide Massen geben, wird der Kraftstoffbedarf noch größer. Rechnet man nur die Masse des Motors (3500kg) hinzu und vernachlässigt den Tank, springt der benötigte Sprit schon an 10 39 kg! Siehe hier
Nur 368 km/s? Ich dachte, das wäre gerade in Reichweite von Ole Boom Boom . Sie kamen so weit, ein Testfahrzeug zu bauen und auf den Markt zu bringen.
Ich vermute, dass ein angetriebenes Gravitationsschleudermanöver um die Sonne dies bewirken könnte. Die Höchstgeschwindigkeit der Parker Solar Probe wird 200 km/s betragen, wahrscheinlich wäre es nicht sehr schwer, sie auf 368 km/s und in die richtige Umlaufebene einzustellen.
Diese einfache Form der Tsiolkovsky-Gleichung kann Probleme verursachen, auf die Sie anspielen: "Wenn wir die gesamte erforderliche Struktur einbeziehen, um all diesen Brennstoff aufzunehmen, wird dies noch schlimmer!" Ich sehe, Sie haben mit Bedacht den Verweis auf das Quadratwürfelgesetz gelöscht, das für Tanks mit einem bestimmten Innendruck nicht gilt. Meine Antwort auf die Frage "Gibt es eine ∆V-Grenze für eine einstufige Rakete mit einer Treibstofftankmasse proportional zur Treibstoffmasse?" behandelt diese. (Es gibt eine Grenze, die nicht überschritten werden kann!)

Jack hat großartige Arbeit geleistet und beschrieben, wie man es mit Antriebsmotoren macht. Ich habe eine andere Antwort:

Wir haben es bereits (fast) geplant (versehentlich).

Der ursprüngliche Plan für die kürzlich gestartete Parker Solar Probe war eine Gravitationsunterstützung am Jupiter für einen anschließenden Vorbeiflug der Sonne mit einer relativen Geschwindigkeit von mehr als 300 km/s. Um stattdessen auf eine Geschwindigkeit von 370 km/s zu kommen, wäre also ein Abstand zur Sonne von 3,5 statt 4 Sonnenradien erforderlich - absolut machbar, wenn wir uns nicht mit empfindlichen Instrumenten herumschlagen müssen, die vor der intensiven Strahlung abgeschirmt werden müssen und Hitze.

Jetzt müssen wir nur noch sicherstellen, dass der Geschwindigkeitsvektor der Sonde richtig auf den CMB ausgerichtet ist, aber das ist möglich: Die Neigung kann variiert werden, indem man auf verschiedene Ränder der Sonne zielt, während die Richtung innerhalb der Ekliptik nur ein richtiges Timing benötigt in Bezug auf die Position des Jupiter.

Leider erfüllt dieses Manöver die Anforderung "in Ruhe bezüglich des CMB sein" für das "kleine Experiment" nur für einen Augenblick und nicht für einen längeren Zeitraum. Wenn Sie das brauchen, sind wir wieder bei Jacks Antwort.

Soviel zum Thema „ weit über unsere derzeitigen Möglichkeiten hinaus “! (auch hier ) Wenn das unbeschriebene 1-Gramm-Experiment zufällig hitzeempfindlich ist (wir wissen es nicht, die Geschwindigkeit des CMB kann einfach als Referenzrahmen dienen), dann könnte ein vernünftig dimensioniertes System seine 1-Gramm-Masse sicherlich kalt halten für ein paar Tage ggf.
@uhoh: "weit über unsere derzeitigen Möglichkeiten hinaus" ist definitiv richtig, wenn Sie die Nutzlast über einen längeren Zeitraum mit dem CMB ruhen lassen möchten. Der Sonnenvorbeiflug liefert es nur für einen Moment, was nicht allzu nützlich ist, wenn Sie ein Experiment durchführen möchten.
Andererseits sind 3,5 Sonnenradien vielleicht nicht ganz die Art von dunklem und kaltem Ort, der am besten für CMB-Messungen geeignet ist.
@EP hat Recht. Sie versuchen, den Strahlungsfluss vom CMB bei 2,725 K sehr genau zu messen. Dinge bei 2,725 K strahlen nicht viel ab (die Leistung geht bei T ^ 4), daher ist das Signal exquisit klein. Aus diesem Grund brauchen die Instrumente, die diese Messungen durchführen, lange Zeit, um dies zu tun: Sie müssen lange integrieren, um genügend SNR aufzubauen. Ein Ort, an dem die Freikörpertemperatur eines Objekts mit hoher Albedo über 2.000 K liegt, ist kein Ort für diese Messungen, und Sie haben nicht viel Zeit – mathematisch null Fensterdauer! – zum Integrieren.
@TomSpilker Niemand hat gesagt, dass Sie dort tatsächlich CMB messen möchten - vielleicht ist es nur ein philosophisches Experiment, um sich mit dem Universum in Ruhe zu fühlen ;-)
@asdfex Punkt genommen. Aber ich wette, Sie hätten viel mehr Probleme, Geld für das "philosophische Experiment" zu bekommen, als für CMB-Messungen! ;-)
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