Ich habe dir einen Mond gefunden: Mimas

Da ich nicht schlafen konnte, dachte ich, ich würde etwas von der Mathematik machen, also hier geht es:

Radius_Mars = 3390 * 10^3   %in meter
Thickness_Atm = 66 *10^3    %Earth atomosphere is about 100km, took 2/3 for 
mars in meters
Volume_Atm = 4/3*pi*(Radius_Mars+Thickness_Atm)^3 - 4/3*pi*Radius_Mars^3;   
Volume_Atm = 9.7E18 m^3
Air_Density = 1.2 %kg/m^3
Needed_Mass = 0.3*Air_Density*Volume_Atm;   %3.4E18 kg
Needed_Mass = 3.4E18 kg

Sie brauchen also eine Masse von 3,4E18 kg, um von einem Mond zu schießen (laut Wiki sind die Astroiden im Gürtel hauptsächlich vom Typ C, S und M, also ungeeignet), also finden Sie einen Eismond mit der niedrigsten Schwerkraft. Es scheint, dass Mimas, der Saturnus umkreist, hauptsächlich aus Eis besteht und eine Oberfläche hat, die so klein wie Spanien ist. Die Masse von Mimas beträgt 3,7E19 kg, also nur eine Größenordnung höher. Anstatt sich also mit der Fluchtgeschwindigkeit auseinandersetzen zu müssen, bewegen Sie sich einfach zum Vollmond zum Mars, dann stellt sich nur noch die Frage, wie schnell Sie es wollen.

Wenn Sie also 10 Jahre Geduld haben, müssen Sie die dazwischenliegende Entfernung zwischen Saturn und Mars verschieben, die ungefähr 1,2E9 km beträgt. Also Ihre Durchschnittsgeschwindigkeit, unter Berücksichtigung, dass Sie genauso lange bremsen müssten

 average velocity = 1.2E12/31E7 = 3834 m/s

Um die Energie zu berechnen, verwenden Sie einfach die Formel für kinetische Energie

 energy = 1/2*m*v^2

Die benötigte Energie wird also zu:

 energy = 1/2*3.7E19*3834^2 = 2.719E26 J

Um es ins rechte Licht zu rücken, wenn Sie die gesamte auf die Erde fallende Sonnenstrahlung nutzen, müssten Sie sie 12,4 Jahre lang mit einer Effizienz von 100% ernten, um die erforderliche Energie zu erhalten. Ich schätze also, wir werden in absehbarer Zeit keine Planeten verschieben :D.

Da es spät ist, könnte es gut sein, die Zahlen zu überprüfen.

Eine wichtige Vorbemerkung: Ohne einen festgelegten Zeitraum zur Erfüllung dieser Aufgabe können die Energiekosten nicht berechnet werden .

Ich werde Vermutungen über die Zeit anstellen.

Aktuelle reale Marsdaten. https://nssdc.gsfc.nasa.gov/planetary/factsheet/marsfact.html

Atmosphäre

Oberflächendruck: 6,36 mb bei mittlerem Radius (variabel von 4,0 bis 8,7 mb je nach Jahreszeit)
[6,9 mb bis 9 mb (Viking 1 Lander site)] Gesamtmasse der Atmosphäre: ~2,5 x 1016 kg

• 1 mb = 0,1 kPa. 6,36 mb = 0,636 kPa.
• Der vorgeschlagene Mars von OP hat einen Luftdruck von 10 kPa. 10 / 0,636 = 15,7. Die Gesamtmasse der Atmosphäre hat sich um das 15,7-fache erhöht.
• Die aktuelle Gesamtmasse der Atmosphäre beträgt (2,5 x 1016) x 15,7 = 3,92 x 10 ¹⁷ kg.
• Sie verlangen, den atmosphärischen Druck um weitere 40 kPa (auf insgesamt 50 kPa) zu erhöhen. Angemerkt: Das Hinzufügen von Gasmasse wird möglicherweise nicht sauber in eine Druckerhöhung umgewandelt, aber wir gehen davon aus.
  Sie möchten das Vierfache der aktuellen atmosphärischen Masse zur aktuellen atmosphärischen Masse hinzufügen.
• Sie wollen 4 x (3,92 x 10 ¹⁷ kg) = 15,7 x 10 ¹⁷ kg oder 1,57 x 10 ¹⁸ kg Gas.

Lassen Sie uns als Referenz überlegen, was nötig wäre, um so viel Masse von der Erde zu importieren. Ich weiß, dass die Bedingungen des OP die Erde ausschließen, aber dies wird einen Eindruck von der Größenordnung dieser riesigen Zahlen geben.
https://www.space.com/24701-how-long-does-it-takes-to-get-to-mars.html Wir gehen davon aus, dass die Entfernung zwischen Erde und Mars 225 Millionen km beträgt. Wir werden uns ein gemütliches 1 Jahr Zeit nehmen, um diese Distanz zu überwinden.
225.000.000 km/Jahr sind 7134 Meter/Sekunde. Es ist so cool, dass Google solche Berechnungen für Sie durchführt!

Nochmals zur Skalierung: Das sind 25684 km/h. Das ist ein guter Clip, aber die New Horizons-Sonde (vom obigen Link) ging doppelt so schnell, also OK.

Kinetische Energie = 1/2 * Masse * Geschwindigkeit ^2, wobei kinetische Energie in Joule, Masse in Kilogramm und Geschwindigkeit in Metern pro Sekunde angegeben ist

Die Joule: Geschwindigkeit in m/s ^2 = 7134 ^2. = 50893956 Bewegte
Masse (von oben) = 1,57 x 10 ¹⁸ kg
1,57 x 1018 kg x 50893956 = 7,9903511e+25.

Geteilt durch 2 = 3,9951755e+25 Joule, um die erforderliche Masse von der Erde zum Mars über 1 Jahr zu bewegen.

Natürlich muss man diese Masse abbremsen, wenn sie auf dem Mars ankommt, es sei denn, Sie haben einen Plan, um sie kostenlos abzubremsen, indem Sie die Masse in die Oberfläche rammen. Was sozusagen Konsequenzen haben könnte. Die Energie, die Sie aufwenden, um es auf Touren zu bringen, müssen Sie dann wieder aufwenden, um es zu verlangsamen: x 2, was glücklicherweise bereits erledigt ist: 7,9903511e+25 Joule.

Es wäre energetisch teurer, es schneller zu machen (weil man auf eine höhere Geschwindigkeit beschleunigen muss) und weniger teuer, es langsamer zu machen. Wenn Masse von weiter weg bewegt wird (z. B. Titan), gilt dasselbe: Es würde die gleiche Energie kosten wie die Bewegung von der Erde, aber mehr Zeit oder mehr Energie kosten, um die größere Entfernung mit der gleichen Geschwindigkeit zu überqueren. Ohne einen angegebenen Zeitraum zur Durchführung dieser Aufgabe können die Energiekosten der Aufgabe nicht berechnet werden .

Eine Alternative in Betracht ziehen: Diese Gesellschaft muss über eine metrische Menge an Energie verfügen, um ein solches Unterfangen in Betracht zu ziehen. Aus meiner Sicht hat diese Gesellschaft unbegrenzte Energie. Vielleicht zapfen sie Casimir-Kräfte an oder sind Meister der Fusion. Masse zu bewegen wäre ein Trick mit dem Potenzial für eine Katastrophe bei vielen Schritten auf dem Weg. Die Logistik, so viel Masse an ihrer Quelle zu sammeln, sie unterwegs zusammenzuhalten und sie auf den Mars abzubremsen, ist entmutigend.

Wie wäre es stattdessen, diese kostenlose Energie zu nutzen, um die Masse vor Ort herzustellen?

Wie viel Energie steckt in so viel Masse? Süße Online-Rechner! http://www.wolframalpha.com/widgets/view.jsp?id=b3aa19fe9dc706a3b4cdaa8ddb37d852 1,57 x 10 ¹⁸ kg konvertiert zu 1,411 x 10 ³⁵ Joule.

Nachprüfen mit diesem Rechner http://www.1728.org/einstein.htm Ich bekomme 1.348e+35 in so viel Masse.

Für die Waage gibt die Sonne 3.725e+26 Joule / Sekunde ab. Um die erforderliche Masse mit der gesamten Energieabgabe der Sonne herzustellen, würde man 361879194 Sekunden oder 11,4 Jahre benötigen. Je nachdem, wie Ihre Energiequelle funktioniert, könnten Sie Massenerzeugungsanlagen auf dem Mars errichten und sie vor sich hin tuckern lassen.

Natürlich, wenn Sie sehr pingelig werden wollen, gehen diese Zahlen davon aus, dass die neue Marsatmosphäre die gleiche Gaszusammensetzung und damit das gleiche kg-Gewicht hat wie die bestehende echte Marsatmosphäre, die hauptsächlich aus CO2 besteht. Im OP ist nicht angegeben, woraus die neue Marsatmosphäre besteht: Bei 10 kPa und 50 % O2 gibt es 50 % etwas anderes, das CO2 sein muss. (Sie würden in dieser Atmosphäre wirklich schwer atmen und es würde sich anfühlen, als ob Sie Cola in Ihre Nase rülpsen würden).

• Alle Gase haben das gleiche Volumen.
• Die gesamte CO2-Atmosphäre (aktueller realer Mars) würde 44 g / mol Gas enthalten.
• Die importierte oder erzeugte N2-Atmosphäre würde 28 g/mol Gas betragen. Das sind 0,63 der Masse, die ich oben verwendet habe. Wer sehr interessiert ist, kann für neue Nummern entsprechend multiplizieren.
• Sie könnten eine Neonatmosphäre mit 71% der Masse Ihrer zweiatomigen Stickstoffatmosphäre herstellen (aber wahrscheinlich nicht finden und importieren). Das wären 0,45 der Masse, die ich oben für Berechnungen verwendet habe. Also nur 4,5 Jahre, um mit Ihrer Energie Massenfabriken zu produzieren!

Ich würde ernsthaft die Asteroiden des Hauptgürtels in Betracht ziehen. Delta V vom Mars-Transfer zum Ceres-Transferorbit beträgt 1,3 km/s. Sie sollten nicht zu einem Asteroiden von der Größe von Ceres gehen müssen, und Sie werden kleine Brocken werfen, die in der Atmosphäre verbrennen, sodass Sie nichts verlangsamen müssen.

Nehmen wir an, Sie schießen 1-kg-Brocken von 0 auf 1300 m/s in 1 Sekunde.

Dies dauert 650 Meter (d = 1/2*a*t^2).

Energie ist kg* m^2 / s^2 oder kg * Meter * a

das sind also 845000 Joule pro kg (Sie können die Zeit oder Beschleunigung ändern, damit Sie immer noch dieses Delta V erhalten und sich die Energie nicht ändert. Nennen wir das 1 x 10 ^ 6, weil unser Asteroid eine gewisse Schwerkraft hat.

Jemand, der schlauer ist als ich, sagte, Sie suchen nach ~ 2 x 10 ^ 18 kg. Die Gesamtmasse des Asteroidengürtels beträgt 3 x 10 ^ 21 kg, was für mich Sinn macht.

Sie benötigen 2 x 10^24 Joule oder 2 x 10^21 KJ.

"Das Kernkraftwerk Palo Verde in Arizona ist das größte Kernkraftwerk in den Vereinigten Staaten mit drei Reaktoren und einer Gesamtstromerzeugungskapazität von etwa 3.937 MW."

und 1 MWh = 3,6 x 10^6 KJ

555,5 x 10 ^ 12 MWh sind also 1000 Palo Verdes, die 141 Millionen Stunden lang (16000 Jahre) maximal laufen.

Das ist ein wenig enttäuschend, aber vielleicht könnte Ihr Launcher Ceres als Schwerkraftunterstützung verwenden. Wenn Sie das Delta v auf mehr als 300 m / s bringen könnten, sinkt es auf 7 Millionen Stunden (800 Jahre).

Die anderen Antworten haben also ergeben, dass es nicht einfach ist, riesige Massenmengen im Sonnensystem zu bewegen. Warum nicht versuchen, das Problem wie die NASA zu lösen?

Aus Felsen dünne Luft machen

In Umkehrung des typischen „Zeugs aus dem Nichts erscheinen lassen“ ermöglicht ein ausgeklügeltes chemisches Verfahren die Herstellung von dünner Luft aus Gestein. Insbesondere nimmt eine modifizierte Version des Fray-Farthing-Chen (FFC)-Prozesses Metalloxide wie Titandioxid, Magnesiumoxid oder Natriumoxid auf und trennt die beiden Elemente. Dies wurde erstmals im Jahr 2000 vorgeschlagen und brachte sofort ein Nature-Papier ein . Obwohl dieses Verfahren ursprünglich für die Herstellung von hochreinen Metallen entwickelt wurde, erregte es in den späten 00er Jahren viel Aufmerksamkeit, als die NASA und andere erkannten, dass es zur Herstellung von Sauerstoff aus Mond-Regolith verwendet werden könnte . Dies ist als "In Situ Resource Utilization" (ISRU) bekannt, und die NASA hat ziemlich viel Geld investierthin zur Ermittlung der Machbarkeit.

Insbesondere verwendet das Ilmenox-Verfahren einen speziell konstruierten Reaktor, der den Sauerstoff aus den anderen Elementen im Mond- oder Mars-Regolith entfernt und ihn in die Atmosphäre freisetzt .

Um aus dem phys.org-Artikel zu zitieren, der diese Entwicklung zusammenfasst:

Basierend auf Experimenten mit einem von der NASA entwickelten simulierten Mondgestein errechnen die Forscher, dass drei ein Meter hohe Reaktoren auf dem Mond eine Tonne Sauerstoff pro Jahr erzeugen könnten. Für jede Tonne Sauerstoff wären drei Tonnen Gestein erforderlich. Fray bemerkte, dass drei Reaktoren etwa 4,5 Kilowatt Leistung benötigen würden, die von Sonnenkollektoren oder möglicherweise einem kleinen Kernreaktor auf dem Mond geliefert werden könnten. Die Forscher arbeiten auch mit der Europäischen Weltraumorganisation zusammen, um einen noch größeren Reaktor zu entwickeln, der ferngesteuert werden könnte.

Zusammenfassend lässt sich sagen: Wir können 4,5-Kilowatt-Reaktoren verwenden, um Sauerstoff (oder Kohlendioxid) aus Mondgestein herzustellen. Die Rendite beträgt etwa 1.000 kg Sauerstoff pro Jahr. So ist unsere Energieumwandlung

Um der hervorragenden Antwort von WillK zu entlehnen, benötigen wir etwa 1,57 x 10 ¹⁸ kg Gas. Um all das de novo zu synthetisieren , benötigen wir 2,23 x 10 ²⁶ Joule Energie . Seltsamerweise ist das im selben Stadion wie die anderen Antworten – cool! Ich werde jedoch argumentieren, dass meine Methode aus mehreren Gründen immer noch überlegen ist.

Grund Nr. 1: Kontrollierter Fortschritt

Wie viele der anderen Antworten hervorheben, kommt die Hälfte ihrer Energiekosten aus der Verlangsamung dessen, was sie darauf werfen. Bei dieser Methode wird der Prozess von Anfang bis Ende kontrolliert – die Produktion hochgefahren oder je nach Bedarf verlangsamt. Um diese Zahl in einen Kontext zu stellen, schauen wir uns die beliebteste Wikipedia-Seite aller an :

• Wenn dies mit traditionellen fossilen Brennstoffen gemacht wurde, können wir damit rechnen, dass wir 10.000 Jahre brauchen, wenn wir jedes Jahr alle fossilen Brennstoffe der Erde verwenden: fossile Brennstoffreserve ab 2010 = 3,9 × 10 ²² J
• Wenn wir mit der Nukleartechnologie fertig sind, wie Ihre Frage vorschlägt, können wir davon ausgehen, dass es ungefähr 1.000 Jahre dauern wird, wenn wir jedes Jahr das gesamte Uran auf der Erde verbrauchen: globale Uran-238-Ressourcen = 2,2 × 10 ²³ J
• Wenn wir den Mars mit Sonnenkollektoren bedeckt haben, können wir damit rechnen, dass es in etwa 100 Jahren fertig ist: Gesamtenergie, die der Mars von der Sonne erhält$\approx$6,6 x 10 ¹⁶ W
• Wenn wir die Sonne mit Sonnenkollektoren bedecken , sind wir in einer Sekunde fertig: Solarleistung = 3,8 × 10 ²⁶ W

Grund Nr. 2: Wir produzieren tatsächlich ein Gas

Die meisten anderen Antworten haben so etwas wie einen kleinen Mond oder einen ganzen Haufen Steine ​​auf den Mars geworfen und es einen Tag genannt. Das ist... keine Atmosphäre? Auch nicht besonders freundlich zu den Einwohnern? Stattdessen produzieren wir mit dieser Methode atmosphärische Gase in jeder Mischung aus Kohlendioxid und Sauerstoff, die wir möchten, was es uns ermöglicht, ein gutes Gleichgewicht zwischen Phototrophen und Heterotrophen zu finden, während wir den Ort weiter terraformen. Wenn es den anderen Antworten nicht gelingt, ein außerirdisches Objekt zu finden, das größtenteils aus Stickstoff oder Neon besteht, fügen sie dem Ort im Gegensatz zu allen traditionellen außerirdischen Körperzusammensetzungen, die wir bisher gefunden haben, nur mehr Steine ​​​​hinzu – hauptsächlich Silikate und Metalloxide .

Grund Nr. 3: Reichlich hochreine Metalle als Nebeneffekt

"Aber warte", sagst du, "was ist mit all den Nebenprodukten des FFC-Prozesses?" Nun, ich bin wirklich froh, dass du fragst. Wie bereits erwähnt, wird dieses Verfahren traditionell verwendet, um hochreine Metalle herzustellen, indem der Sauerstoff von Metalloxiden abgezogen wird. Jetzt, da wir die Rollen vertauscht haben, sind diese Metalle im Wesentlichen "Abfallmaterial" - schätze, wir müssen stattdessen wirklich coole Gebäude daraus machen.

Leider sind die einzigen Gase, die Sie sicher in die Atmosphäre eines terraformierten Körpers einbringen können, Sauerstoff und Stickstoff.

Die Erde ist draußen, also ist Titan die einzige andere brauchbare Quelle für Stickstoff (es sei denn, Sie haben eine wirtschaftliche Möglichkeit, einen partiellen CNO-Zyklus einzurichten und über eine ausreichende Kohlenstoff- oder Kohlendioxidquelle und Energie zu verfügen).

Stickstoff auf Titan – oder jede signifikante Schwerkraft weit außerhalb der des Mars – besitzt viel mehr potenzielle Energie, als es möglich ist, auf den roten Planeten zu entfesseln. Die einfachste Art, den Stickstoff zu liefern, nämlich ihn in gefrorenen Raketen zu unterkühlen und sie mit Linearbeschleunigern auf den Mars zu schießen, wird noch mehr Energie liefern. Die gefrorenen Raketen werden in der Marsatmosphäre brennen und zerfallen, aber sie werden sie (und wenig später auch den Boden) viel zu stark erhitzen.

Aus dem gleichen Grund ist eine Zustellung der Ware mit Reaktionsantrieben nicht realisierbar. Jedes Kilogramm auf Marsbodenniveau würde zu viel an Abwärme und/oder Umweltverschmutzung kosten.

Trägheitslose Grav-Antriebe würden dieses Problem natürlich lösen, aber sie sind keine aktuelle Technologie; nicht einmal in Sicht.

Was folgt, ist ebenfalls mit ziemlicher Sicherheit nicht machbar, aber aufgrund logistischer und wirtschaftlicher Zwänge, nicht wegen technologischer Beschränkungen.

Phase Eins: Baue eine Basis auf Titan, installiere einen Launcher (eigentlich viele Launcher).

Die Titan-Basis wird Projektile auf eine Hohmann -Transferbahn schicken und den ersten Teil des erforderlichen Delta-V liefern. Das bringt Sie auf etwa 11 MJ/kg plus weitere 3,48 MJ/kg Fluchtgeschwindigkeit zurück.

Der Launcher könnte auf einem Skyhook auf Titan installiert werden, um den zweiten Teil dieser Kosten zu reduzieren.

Ein Projektil ist nur eine isolierende Hülle über einer Tonne unterkühltem festem Stickstoff sowie einem solarbetriebenen Leuchtfeuer und wird je nach Position des Planeten nach 5 bis 18 Jahren den Mars erreichen. Es hat keine Manövrierfähigkeit.

Stufe Zwei: Bauen Sie den „Fänger“ (oder einen Wald davon) im Orbit um den Mars.

Der Fänger muss die kinetische Energie des ankommenden Projektils durch elektromagnetisches Bremsen neutralisieren. Dafür benötigen Sie mindestens etwa 28,5 MJ/kg. Dadurch wird auch eine Änderung der Umlaufbahn des Fängers festgestellt. Um das auszugleichen, muss eine Art Triebwerk, vielleicht ein Ionentriebwerk, installiert werden. Wir könnten Phobos vielleicht als Wegstation verwenden - aber das würde uns auf eine Wegstation beschränken und sowohl die Anzahl der Fangfenster als auch die Volley-Größe einschränken.

Eine andere Möglichkeit wäre, das ankommende Projektil – es bewegt sich mit etwa 7500 m/s – zu harpunieren und mit einer Dynamospule abzubremsen. Das würde es ermöglichen, den größten Teil dieser 28,5 MJ/kg zurückzugewinnen, selbst wenn selbst das Bremsen mit 10 G immer noch mehr als eine Minute dauert, und etwa 290 km Kabel ausgeben. Ein vom Saturn einfallendes Ein-Tonnen-Projektil entwickelt dann eine Leistung von rund 370 Megawatt (28500 MJ in 76 s).

Phase drei: Lass die Pellets auf dem Mars fallen.

Selbst bei einer Anfangsgeschwindigkeit von Null in Bezug auf den Planeten (die Phobos-Trägerrakete neutralisiert einfach die Umlaufgeschwindigkeit des Mondes) 6000 km von so tief wie Phobos, würden die gefrorenen Stickstoffpellets immer noch eine potentielle Energie von etwa 7,1 MJ/kg besitzen; Selbst wenn sie nahe am absoluten Nullpunkt liegen, würden sie nur etwa 0,3 MJ/kg aufnehmen, um die Gasphase zu erreichen. Wir würden mit einem Überschuss von mehr als 28 Millionen Kalorien pro Kilogramm zurückbleiben, was nicht akzeptabel ist.

Die einzige andere Alternative ist ein Skyhook. Die Skyhook-Station würde in derselben Ebene wie die ankommenden Projektile umkreisen und sie abwechselnd von beiden Seiten des Planeten einfangen, wodurch die überschüssige Energie direkt auf den Mars geleitet würde. Wir werden eine beträchtliche Reihe von Himmelshaken rund um den Planeten benötigen – im Wesentlichen einen künstlichen Ring um den Mars.

Das Gas würde dann direkt nach unten fallen gelassen und diese 7 MJ/kg Energie durch magnetisches Bremsen neutralisiert (und einen Teil davon zurückgewonnen).

Die große Frage ist nun , wie lange das dauern würde .

Wenn wir davon ausgehen, dass jedes Projektil eine runde Tonne wiegt, bräuchten wir etwa drei Milliarden Millionen Projektile. Der größte Teil der benötigten Energie wird durch die Schwerkraft bereitgestellt, aber wir brauchen immer noch Trägerraketen und Fänger. Bei jeweils 1000 benötigen wir drei Millionen Millionen Salven, und bei einer Salve pro Sekunde (denken Sie daran, dass wir eine Tonne Masse pro Start bewegen und nebenbei eine Menge Energie verbrauchen müssen) sind das hunderttausend Jahre .