Nehmen wir an, Sie reisen mit 10 % der Lichtgeschwindigkeit und benötigen mindestens 0,1 Sekunden, um auf eine mögliche Kollision zu reagieren. Das bedeutet, dass Sie in der Lage sein müssen, einen kalten Felsen in einer Entfernung von (0,1 x 3 x ^{10 8} ms ^-1 /0,1 s) = 3 x 10 ⁸ m oder dreihunderttausend Kilometer zu erkennen.

Die Gleichgewichtstemperatur von Objekten im Weltraum beträgt 2,7 K. Aber um der Argumentation willen stellen wir uns vor, der Felsen, den Sie treffen werden, ist bei relativ warmen 5K. Nehmen wir außerdem an, dass es eine Fläche von 10 ⁵ m ² hat .

Gemäß der Mathematik auf der Wikipedia-Seite wird der Stein eine Schwarzkörper-Emissionsspitze von 294 GHz haben und seine Ausgangsleistung wird 3,54 W betragen.

Wenn Sie einen riesigen Infrarot - Mikrowellensensor mit einer Fläche von 100 m ² haben, dann kann er in einer Entfernung von 3 x 10 ⁸ m höchstens 3,13 x 10 ^-16 W Leistung aus dem Gestein erfassen. Anders ausgedrückt bedeutet dies bei 294 GHz, dass Sie nur 1,6 Millionen einzelne Photonen pro Sekunde erfassen. Was nicht unmöglich, aber sehr schwierig ist (Wärmebildkameras haben ernsthafte Rauschprobleme, weil die Kamera selbst nicht am absoluten Nullpunkt ist).

Es wäre also gerade noch möglich, Objekte passiv zu erkennen, wenn sie die Größe eines Häuserblocks hätten und ziemlich warm wären, und Sie könnten sie in einer Zehntelsekunde zerstören oder vermeiden.

Aber bei 10 % der Lichtgeschwindigkeit könnten Sie von einem erdnussgroßen Objekt ausgelöscht werden ^* , und wenn sich ein Objekt lange genug im Weltraum befunden hätte, wäre es auf die Temperatur des kosmischen Hintergrunds abgekühlt und thermisch unsichtbar geworden, nein egal wie groß es war.

Wenn ich persönlich auf einem interstellaren Schiff wäre, würde ich darauf bestehen, dass es aktive Sensoren (Radar oder Lidar) hat. Wenn das aus narrativen Gründen absolut verboten ist, dann glaube ich nicht, dass Sie alle Kollisionen vermeiden könnten, also müssten Sie in der Lage sein, sie zu überleben. Sie könnten ein „Eisbrecher“-Schiff direkt vor sich fliegen lassen, im Grunde ein riesiger Metallasteroid mit Motoren, und wenn etwas darauf trifft, haben Sie Zeit, auf die Bremse zu treten, bevor Sie es auffahren.

* Bearbeiten Sie re: relativistische Kollisionen

Warum gehe ich davon aus, dass ein Mikrometeoroid nicht direkt durch das Schiff hindurchfliegen wird, wie es bei Orbitalgeschwindigkeiten der Fall wäre? Bei Objekten in der Erdumlaufbahn sprechen wir von Railgun-Geschwindigkeiten ( ~10 ⁵ ms ^-1 ), aber bei interstellaren Reisen sprechen wir von tausendmal höheren Geschwindigkeiten, näher an dem, was Sie in einem Teilchenbeschleuniger sehen würden .

Angenommen, ein Kieselstein fliegt mit 10 km/s durch ein Raumschiff und seine Temperatur steigt um 100 K (was ich für eine niedrige Schätzung halte). Es könnte schmelzen und auseinanderfliegen, aber bei dieser Geschwindigkeit wird es zu dem Zeitpunkt auf der anderen Seite des Raumfahrzeugs sein. Angenommen, derselbe Kiesel würde sich tausendmal schneller bewegen. Auf dem Weg trifft es auf die gleiche Anzahl von Molekülen, aber jede dieser Kollisionen ist tausendmal energiereicher. Grob gesagt wäre seine Temperatur bis zum Durchgang durch das Raumschiff um 100.000 K gestiegen. Bei dieser Temperatur wird es nicht durch chemische Bindungen zusammengehalten; Es ist eine Ansammlung hochenergetischer geladener Teilchen, die in alle Richtungen strahlen, sodass der größte Teil der (beträchtlichen) kinetischen Energie als Wärme auf Ihr Raumfahrzeug übertragen wird.

In gewisser Weise ist das eine gute Nachricht; Wenn Sie ein großes Hindernis im Voraus gesehen haben , können Sie es mit einem .22-Gewehr so ​​gut wie in Atome sprengen. Angesichts der oben genannten Einschränkungen wäre dies jedoch nur möglich, wenn Sie ständig auf einen großen hellen Nebel oder so etwas zubeschleunigen und Objekte sehen könnten, die ihn verdecken.

Die kosmische Mikrowellen-Hintergrundstrahlung hat ein bekanntes Muster. Wenn ein Gestein vor der Mikrowellenkamera vorbeizieht, wird dieses Muster verzerrt und blockiert, selbst wenn es die gleiche Temperatur hat und keine Strahlung von ihm ausgeht. Um die Wahrscheinlichkeit zu erhöhen, das Partikel zu entdecken, sollten mehrere Kameras dieselbe Region scannen. Durch den Vergleich der Kameraausgaben kann man die 3D-Form der Umgebung, einschließlich des bevorstehenden Unheils, kartieren.

Allerdings bezweifle ich, dass Ausweichmanöver die Lösung wären. Generationsschiffe sind auf Dauer angelegt und im Laufe der Jahrhunderte werden diese Ausweichmanöver viel zu viel Treibstoff verbrauchen. Ohne Ausweichmanöver benötigt der jahrhundertelange Betrieb eines Schiffes nicht mehr Treibstoff (ohne die von Menschen verbrauchte Energie) als ein Schiff, das für einige Monate ausgelegt ist. Anstatt also den Kurs des Schiffes zu ändern, sollten sie versuchen, das Teilchen abzulenken. Dies verringert sowohl die erforderliche Energiemenge als auch den Zeitrahmen, um das Objekt zu bemerken.

Gravitationsdetektor.

Felsen haben Schwerkraft. Vernachlässigbare Schwerkraft, behaupten Sie verächtlich. Aber trotzdem Schwerkraft. Kann die Schwerkraft eines Felsens im Weltraum genutzt werden, um ihn zu erkennen? Der interstellare Raum ist ein schöner Ort für solche Dinge, weil nichts im Weg steht und keine anderen Gravitationsquellen außer Ihnen und dem Felsen.

Man misst die Schwerkraft mit einem Gravimeter . Diese sind geschickt und empfindlich und werden kommerziell verwendet, um Schwankungen der Oberflächengravitation der Erde zu messen. Die Cavendish-Experimente haben bekanntermaßen die Gravitationsanziehung zwischen zwei Nicht-Erdobjekten gemessen.

Als Referenz.

http://www.school-for-champions.com/science/gravitation_force_objects.htm#.WeKkMkyZMk8

Die universelle Gravitationsgleichung lautet: F = GMm/R2 wobei • F die Anziehungskraft zwischen zwei Objekten in Newton (N) ist • G die universelle Gravitationskonstante = 6,674*10−11 N-m2/kg2 ist • M und m sind die Massen der beiden Objekte in Kilogramm (kg) • R ist der Abstand in Metern (m) zwischen den Objekten, gemessen von ihren Massenschwerpunkten

Was ist die kleinste Kraft, die heute gemessen wurde? Nehmen wir an, in dieser weltraumtauglichen Zukunft sind derart empfindliche Messungen an der Tagesordnung.

Diese Leute http://newscenter.lbl.gov/2014/06/26/smallest-force-ever-measured/ . behaupten, eine Kraft von 42 Joktonewton gemessen zu haben, wobei jedes Joktonewton 1 septillionstel Newton oder 10-24 (1 E-25 in Excel) ist.

Sehen wir uns an, was für ein Körper in welcher Entfernung eine Kraft von 42 Yoctonewton auf unsere 1000 kg Detektormasse ausüben würde. Vielleicht ein 1 kg (m) schwerer Stein in 1 km (R=1000) Entfernung von unserem Detektor (M=1000)? hmm .. wie man Excel-Zeilen einfügt und die Formatierung beibehält. Ich werde es als Bild machen. Bessere Möglichkeiten, schlagen Sie bitte in den Kommentaren vor.

Ein 1 kg schwerer Stein in 1 km Entfernung von der Detektormasse erzeugt eine Kraft, die viele Größenordnungen größer als 42 Joktonewton ist. Es ist fast albern, als würde man einen Kuchen im Gesicht entdecken! In der Tat vernachlässigbar!

Die Entfernung, um die Gravitationsanziehung von 42 Yoktonewton zwischen einem 1 kg schweren Stein und unserer 1000 kg schweren Testmasse zu erzeugen, beträgt 126057432 m oder 126.057,432 km. Nicht einmal die Entfernung von der Erde zum Mond, aber eine ziemliche Entfernung. Und eine größere Masse konnte weiter entfernt entdeckt werden.

Natürlich kann es sich bei einer Gravitationsmessung um einen kleinen Felsen in der Nähe oder einen großen Felsen in der Ferne handeln. Das ist die Sache mit der Schwerkraft. Meine Intuition sagte mir, dass es bei 3 aufeinanderfolgenden Messungen und unter der Annahme einer stabilen Masse, Geschwindigkeit und Flugbahn des erkannten Gesteins nur eine Masse und Geschwindigkeit des erkannten Gesteins geben kann, die passt. Aber als ich diese Idee testete, stellte ich fest, dass dies nicht der Fall war:

Dieser Stein bewegt sich direkt am Detektor, sodass wir uns keine Gedanken über Winkel machen müssen. Lassen Sie uns zuerst einen 1 kg schweren Stein haben, der sich mit 10 m / Sekunde bewegt, und 3 aufeinanderfolgende Messungen im Abstand von 1 Sekunde.

Bußgeld. Können wir nun für einen 100-kg-Stein eine Geschwindigkeit finden, die diese Kraftmesswerte zu jedem Zeitpunkt nachahmt?

Hmm. Ja, wir können den kleinen Stein mit einem großen nachahmen. Ein kleiner naher Felsen, der sich langsam nähert, unterscheidet sich stark von einem großen entfernten Felsen, der sich schnell nähert, aber gravitativ sehen sie gleich aus.

Können wir das umgehen? Bisher ist mir noch kein Workaround eingefallen. Ich dachte, es könnte helfen, einen zusätzlichen Detektor an 1-km-Auslegern im rechten Winkel anzubringen, was zeigen sollte, wie wenig Intuition für Mathematik ich habe. Booms halfen in meinem Excel-Modell verschiedener Perspektiven auf dieselbe sich nähernde Masse nicht.

In Summe:

• Alle Masse hat Schwerkraft
• Die Schwerkraft kann nachgewiesen werden
• Gesteine ​​im Weltraum können aufgrund der Gravitationskraft, die sie auf einen Detektor ausüben, erkannt werden.
• Es war schwierig für mich, die Schwerkraft zu nutzen, um Gesteine ​​im Weltraum nach Masse und Geschwindigkeit zu charakterisieren. Aber ich bin begeistert bei dem Gedanken, dass jemand hier in der Lage sein könnte, es zu tun.
  • Mathematische Korrekturen sind immer willkommen.

Ich muss davon ausgehen, dass das Schiff eine beträchtliche Größe hat, wenn es Generationen von Menschen, Landwirtschaft, Tieren usw.

Ich muss auch davon ausgehen, dass Sie eine künstliche Schwerkraft haben, damit Menschen und Tiere nicht herumfliegen und Pflanzen wachsen können.

Wir kennen die Größe des Felsens nicht. Aber wenn es groß genug ist, um eine Delle zu machen, aber nicht groß genug. Es konnte aus dem Weg nach unten zum Schwerkraftantrieb gezogen werden. Und wenn die Beschleunigung groß genug ist, wird es einfach aus dem Weg gezogen.

Ich weiß nicht genug über den Weltraum oder Ihre Welt, um zu bestätigen, dass dies in der Realität funktionieren würde, aber bei Weltraumingenieuren funktioniert es und ist sogar bewaffnet.

Dies wird auch von Jupiter getan, wenn Asteroiden in unser Sonnensystem eindringen, die Asteroiden gut in Jupiters Schwerkraft sind und aus dem Weg gezogen und wieder aus dem Sonnensystem geschleudert werden

Ich bin mir nicht sicher, ob dies Ihre Anforderungen an ein passives System vollständig erfüllt, aber ich denke, es ist zumindest ein Teil des Weges dorthin und ein neuartiger Ansatz, der eine Erwähnung wert ist

Was Sie brauchen, ist eine „Avantgarde“. Stellen Sie sich eine sehr breite, ultradünne kreisförmige Membran zusammen mit minimaler Stabilisierung und Kommunikationsausrüstung vor, die dem Generationsschiff auf genau demselben Kurs weit voraus ist. Wenn die Avantgarde weit genug voraus ist, hätte sie Zeit, jeden Stein zu erkennen, der durch ihre Membran geht, und das Generationsschiff ausreichend zu warnen, um Not-Seitenstrahlruder abzufeuern, um den Kurs leicht anzupassen und dem Objekt auszuweichen.

Eine Variation davon wäre eine kleine Flotte kleiner Sonden, die mit Weitwinkel-Laserprojektoren und Detektoren sowie minimaler Kommunikations- und Stabilisierungsausrüstung ausgestattet sind. Diese könnten auch weit vor dem Generationsschiff in einem weiten Kreis fliegen und ein Netz aus Laserlicht erzeugen, das jeden vorbeiziehenden Stein erkennen und das Generationsschiff auf ähnliche Weise warnen könnte. Wenn eine der Sonden selbst getroffen wurde, könnten die anderen übernehmen, was eine mehrfache Redundanz ergibt. Der andere Vorteil wäre die Fähigkeit, ein viel breiteres Netz zu haben, was einen größeren Sicherheitsspielraum ergibt.

Erweiterte Antwort

Angenommen, ein Loch im Druckbehälter, das überlebt, aber das Schiff beschädigt zurücklässt und die Besatzung versucht, herauszufinden, was passiert ist.

Zuerst würde ich davon ausgehen, dass sie das Loch schnell finden würden, da es Notfallverfahren geben würde, um eine solche Eventualität zu erkennen und zu bewältigen. Unmittelbar danach würde das Loch visuell untersucht, und das würde ihnen viele Informationen geben.

Sie wüssten, ob es eine Explosion vom Schiffsinneren nach außen oder ein Treffer auf das Schiffsinnere gewesen wäre, und bei äußeren Einschlägen würden der Ort des Treffers auf dem Schiff und die genaue Zeit die Annäherungsrichtung verraten. Die Größe des Lochs würde ihnen auch etwas über die Energie des Aufpralls und möglicherweise sogar über die Masse und Geschwindigkeit des Projektils sagen. Es besteht die Möglichkeit, dass sie sogar Fragmente finden können. Wenn man bedenkt, dass es von hinten angefahren wird, kann es mit relativ niedrigen oder relativ hohen Geschwindigkeiten auftreffen.

Wenn Sie eine weitere Sensorbestätigung benötigen, könnten Kameras am Rumpf vorhanden sein, die den Aufprallblitz erkannt hätten. Die andere Möglichkeit (bei Annäherung von hinten) könnte eine Störung der Kommunikation von der Erde auf sehr niedrigem Niveau oder allgemeine wissenschaftliche Sensoren sein, die kontinuierlich alles, was Sie wollen, in alle Richtungen kontinuierlich messen. Wenn es metallisch war, könnte es während seiner Annäherung einige Aufzeichnungen in Magnetometerablesungen gemacht haben.

Schwarzkörperstrahlung

Du fragst:

Wenn Ihr Schiff keine elektromagnetische Strahlung abgab, die durch Abprallen vom Felsen (Radar oder ähnliches) erkannt werden konnte, wie könnten Sie einen vollständig inerten Felsen von der Größe eines Felsbrockens erkennen?

Durch die elektromagnetische Strahlung, die das Gestein abgibt: seine Schwarzkörperstrahlung .

Das hört sich jetzt vielleicht schick an, ist es aber nicht. Die einfache Tatsache ist, dass alles , was eine Temperatur über dem absoluten Nullpunkt hat, "glüht". Dieses Leuchten hängt vom Quadrat des Quadrats der Temperatur ab, dh von T ⁴ .

Bei Temperaturen, an die wir gewöhnt sind, liegt die Strahlung im Infraroten.

Wenn es heißer wird, steigt die Strahlung in den sichtbaren Teil des elektromagnetischen Spektrums, dh "rotglühend" bedeutet eigentlich, was es sagt: dass es so heiß ist, dass es rot wird.

Dieser Stein würde also einfach durch automatisches Monitoring der Umgebung mit Infrarotsensoren erkannt.

Sie sagten: "Es hätte eine sehr minimale Wärmesignatur". Aber egal wie minimal, das ist immer noch nachweisbar.

Wenn der knappe Fehlschuss nah genug war, konnte der Felsen durch das Verdecken von Hintergrundsternen entdeckt werden. Im Moment wird die Anomalie für später archiviert, wobei der wahrscheinlichste Fall eine kleine Sensorfehlfunktion ist, um von der Wartung überprüft zu werden. Wie stehen denn die Chancen, dass tatsächlich etwas da ist? (Sie da, die "astronomisch" gesagt haben, mal sehen, ob Ihr Humor durch eine nette 8-Stunden-EVA-Schicht verbessert wird!)

Erst später, während er die Protokolle überprüft (und nichts Falsches an den Sensoren findet), addiert irgendein Techniker, IA oder Expertensystem zwei und zwei und stellt fest, dass da draußen tatsächlich ein Stein war.

Beachten Sie, dass aus dem gleichen Grund Laserstrahlen am Ende immer divergieren und als solche schwächer werden, die Verdeckung je nach Größe des Felsens nur bis zu einer bestimmten Entfernung sichtbar sein kann. Wie bei Lasern, die umso weniger divergieren, je größer die Blende ist, werden größere verdeckte Objekte aus größerer Entfernung sichtbar.

Alles, was klein genug ist, um nur als Felsen bezeichnet zu werden, muss wahnsinnig nah sein, damit ein interstellares Objekt auf diese Weise sichtbar ist.

Die Schwarzkörperstrahlungsantwort, die jemand anderes bereitgestellt hat, ist die beste Option, die Sie in diesem Szenario haben. Ich möchte nur hinzufügen, dass es auch ziemlich einfach zu erkennen wäre, da der Weltraum eine relativ einheitliche Energiesignatur hat. Das Objekt, egal wie minimal seine Strahlung ist, würde sich im Hintergrund bemerkbar machen.