Wie ernst ist das Problem des interstellaren Staubs für die interstellare Raumfahrt?

Proxima Centauri b scheint der nächstgelegene Exoplanet in seiner bewohnbaren Zone zu sein. In einer Entfernung von 4.2 Lichtjahre, ist die Reise zu diesem Planeten innerhalb eines Menschenlebens auf den ersten Blick nicht unmöglich , erfordert jedoch eine mittlere Geschwindigkeit, die einen beträchtlichen Bruchteil der Lichtgeschwindigkeit beträgt, dh ungefähr 0,1 C ≈ 3 × 10 4 km/s .

Meine Fragen beziehen sich auf das Problem, mit dieser Geschwindigkeit zu reisen, das durch das Vorhandensein eines interstellaren Mediums aufgrund (1) der durch Kollisionen mit mikroskopischen Partikeln verursachten Schäden und (2) des Impulsverlusts des interstellaren Mediums entsteht.

Erstens das Problem der Kollisionen. Bei dieser Geschwindigkeit ist es plausibel, dass Kollisionen mit mikroskopisch kleinen Partikeln ein Problem darstellen. Eine grobe Gleichung der einfallenden kinetischen Energie mit der Energie, die erforderlich ist, um Stahl vom absoluten Nullpunkt auf seinen Siedepunkt zu heben, deutet auf eine Kollision eines Staubpartikels hin 1 mg ( ≈ ein Sandkorn) unterwegs 0,1 C würde ausreichen, um darüber zu verdampfen 0,6 kg Stahl von der Oberfläche eines Raumfahrzeugs,

( 1 mg ) ⋅ ( 0,1 C ) 2 2 ⋅ ( 420 kJ ⋅ kg − 1 ⋅ K − 1 ) ⋅ ( 1643 K ) = 0,65 … kg
und übertragen ungefähr den gleichen Impuls wie eine Bowlingkugel, die aus einem fahrenden Auto geworfen wird. Kollisionen mit Objekten, die hart genug sind, um Stahl zu durchdringen, bevor sie verdampfen, sind potenziell noch schwerwiegendere Probleme, da die Eindringtiefe eines harten Hochgeschwindigkeitsprojektils proportional zur einfallenden kinetischen Energie wächst (siehe zB Walker 2001 ) .

Das interstellare Medium ist natürlich sehr leer. Um jedoch so leer zu sein, dass solche Kollisionen vernachlässigt werden können, müssen Staubpartikel, die groß genug sind, um Schaden anzurichten, eine Anzahldichte aufweisen N ≪ 10 − 19 M − 3 , (ungefähr die Umkehrung des Volumens, das durch ein kleines ( 10 M von 10 M ) Raumschiff unterwegs 4.2 ly . Ist die Dichte potenziell schädlicher Partikel im interstellaren Medium niedrig genug, um eine interstellare Reise mit Geschwindigkeit zu ermöglichen? 0,1 C ?

Das zweite Problem ist das Problem der Viskosität. Abgesehen von der potenziell schädlichen Natur von Kollisionen mit größeren Partikeln impliziert die Tatsache, dass der Raum nicht leer ist, dass dagegen gearbeitet werden muss, um eine konstante Geschwindigkeit aufrechtzuerhalten. Bringt das Vorhandensein eines viskosen interstellaren Mediums praktische Einschränkungen für die Geschwindigkeit der interstellaren Reise mit sich?

In den 1970er Jahren fand Brian May Hinweise auf interstellaren Staub im inneren Sonnensystem, aber seine Informationen wurden erst 2007 veröffentlicht (als er seine Doktorarbeit einreichte). Aus einem Artikel aus dem Jahr 2012 (gemeinsam mit seinem Doktorvater verfasst), Ein verbessertes Modell für die Infrarotemission aus der Zodiakalstaubwolke: Kometen-, Asteroiden- und interstellarer Staub , „Kometen-, Asteroiden- und interstellarer Staub machen 70 %, 22 % und 7,5 % aus % des Staubs im Lüfter". IIRC, Dr. May erwähnt in seiner Dissertation, dass interstellarer Staub bei etwa 20 AE (der Umlaufbahn von Uranus) zu dominieren beginnt.
Sie fragen nach „praktischen Einschränkungen der Geschwindigkeit interstellarer Reisen“, aber es gibt eine lange Liste von Gründen, warum das Senden menschlicher Körper über interstellare Entfernungen mit keiner vorhersehbaren Technologie praktikabel sein kann. Das grundsätzlich schwierige Problem ist, dass es eine gottgleiche Fähigkeit erfordert, riesige Energiemengen zu manipulieren, sowie einen Weg, um zu vermeiden, von der exponentiellen Natur der Raketengleichung getötet zu werden. Staub scheint mir ein Problem zu sein, das eigentlich eher lösbar ist, zB indem man einen Weg findet, den Staub zu ionisieren und seitlich abzulenken.

Antworten (2)

Die Dichte des interstellaren Mediums variiert enorm, daher unterscheidet sich das spezifische Problem der Reise von Sol nach Proxima-Centauri vom allgemeinen Problem der interstellaren Reise.

Laut WP:

In kühlen, dichten Regionen des ISM liegt Materie hauptsächlich in molekularer Form vor und erreicht Zahlendichten von 10 6 Moleküle pro C M 3 (1 Million Moleküle pro C M 3 ). In heißen, diffusen Regionen des ISM wird Materie hauptsächlich ionisiert, und die Dichte kann so gering sein wie 10 − 4 Ionen pro C M 3 .

Die Lokale Interstellare Wolke , in der sich unser Sonnensystem befindet, liegt irgendwo in der Mitte dieses enormen Dichtebereichs:

...nicht sehr dicht, mit 0,3 Atomen pro Kubikzentimeter. Dies ist weniger dicht als der Durchschnitt für das interstellare Medium in der Milchstraße (0,5 Promille). C M 3 , obwohl es sechsmal dichter ist als das Gas in der heißen lokalen Blase mit geringer Dichte (0,05 per C M 3 ), die die lokale Wolke umgibt.

Das Alpha/Proxima Centauri-System befindet sich in der benachbarten G-Cloud ; Ich habe in meiner umfangreichen fünfminütigen Umfrage keine Dichteschätzungen für die G-Cloud gefunden, aber David Hammen behauptet in einem Kommentar zu dieser Antwort , dass ihre Dichte der LIC ähnlich ist.

Wikipedia sagt uns auch, dass:

Massenmäßig sind 99 % des ISM Gas in irgendeiner Form und 1 % Staub. Von dem Gas im ISM sind zahlenmäßig 91 % der Atome Wasserstoff und 8,9 % Helium, wobei 0,1 % Atome von Elementen sind, die schwerer als Wasserstoff oder Helium sind ... Nach Masse entspricht dies 70 % Wasserstoff, 28 % Helium und 1,5 % schwerere Elemente.

Mit der gegebenen Massenverteilung ist die Gesamtmassendichte einfach zu berechnen; wenn ich es nicht vermasselt habe, läuft es auf so etwas hinaus 6 × 10 − 25 G pro C M 3 in der lokalen interstellaren Wolke.

Ohne mehr über die Verteilung der Staubpartikelgrößen zu wissen, ist es schwierig, die Wahrscheinlichkeit eines einzelnen katastrophalen Aufpralls zu berechnen, aber die Massendichte sollte eine Vorstellung von der kontinuierlichen "Abnutzungsrate" sowie dem "Schlepp"-Widerstand des ISM geben .

Das ist nützlich. Ihre Dichte deutet auf einen viskosen Luftwiderstand bei 0,1c hin ≈ 10 − 6 N M − 2 , was nicht allzu schwer zu korrigieren ist. Wissen Sie bezüglich der ersten Frage, ob Massenverteilungen interstellarer Teilchen unbekannt sind oder einfach, dass ich/wir sie nicht finden konnten?
Ich habe ein paar Papiere gefunden, die informativ sein könnten, aber nichts leicht Verdauliches. Kim, Martin, Hendry 1993 ; Landgraf, Baggaley, Grün, Krüger, Linkert 2000
@ComptonScattering Ich bezweifle, dass es die Zahlen stark ändern wird, aber ich denke nicht, dass viskoser Widerstand eine gute Beschreibung für die Wechselwirkung mit dem interstellaren Medium ist. Bei der niedrigen Dichte/hohen Geschwindigkeit, von der wir sprechen, verhält es sich eher wie molekülgroße Käfer, die auf Ihre Windschutzscheibe treffen, dh einzelne Kollisionen ohne relevante Auswirkungen auf das umgebende Medium.
@mlk Sie haben Recht, dass das Fehlen eines lokalen thermodynamischen Gleichgewichts bedeutet, dass es keinen Widerstand gegen Scherverformung gibt - vielleicht sagen Sie so, dass der Begriff "viskoser Widerstand" genau verwendet werden sollte? In diesem Fall stimme ich zu, dass meine Verwendung falsch ist. In der Frage war ich jedoch lockerer und habe den Begriff (fälschlicherweise?) verwendet, um sich auf die Geschwindigkeit der Impulsübertragung auf das Raumfahrzeug zu beziehen, die sich aus seiner relativen Geschwindigkeit mit dem Medium ergibt.

UAPs sind irgendwie hierher gekommen.

Vor ungefähr einem Monat hat die Regierung der Vereinigten Staaten einen Bericht über nicht identifizierte Luftphänomene (UAPs) herausgegeben, was im Grunde der moderne Begriff der US-Regierung für UFOs ist, und erklärt, dass sie real sind, sie sind nicht amerikanisch, sie tun Dinge jenseits unseres derzeitigen Verständnisses der Physik, und sie wissen nicht, was sie sind. Der eigentliche Wortlaut des Berichts scheint in absichtlicher Untertreibung formuliert zu sein, aber darauf laufen die im Bericht präsentierten Fakten hinaus. Tatsächlich waren die Informationen in dem Bericht signifikant genug, dass Avi Loeb, der für Astronomie zuständige Professor an der Harvard University, ein Projekt gestartet hat , um meterweite automatisierte Teleskope im ganzen Land zu platzieren, in der Hoffnung, hochauflösende Bilder von ihnen aufzunehmen.

Wenn die UAPs außerirdisch sind (und nicht außerdimensional, Zeitreisende, eine vormenschliche Spezies, die in Lebensräumen in unerforschten Gebieten auf dem Grund des Ozeans lebt, oder etwas Ähnliches), dann sind sie vermutlich irgendwie auf die Erde gekommen. Dies impliziert, dass interstellarer Staub kein Problem für die interstellare Raumfahrt darstellt, oder zumindest für welche Art von interstellarem Flug, mit der sie ursprünglich hier ankamen.

Es gibt viele offene Fragen darüber, was UAPs sind, wie sie funktionieren und woher sie kommen, aber ich nehme an, Sie könnten ihre Existenz als Beweis dafür betrachten, dass interstellare Reisen möglich sein könnten.

"Sie sind keine Amerikaner, sie tun Dinge, die über unser aktuelles Verständnis der Physik hinausgehen"; der Bericht sagt nichts von beidem
@Dancrumb Ja, das hat es. "In einer begrenzten Anzahl von Vorfällen schien UAP ungewöhnliche Flugeigenschaften aufzuweisen." "Bei 18 Vorfällen, die in 21 Berichten beschrieben wurden, berichteten Beobachter von ungewöhnlichen UAP-Bewegungsmustern oder Flugeigenschaften." "Wir konnten jedoch nicht bestätigen, dass diese [amerikanischen] Systeme für einen der von uns gesammelten UAP-Berichte verantwortlich waren."
Ihre Antwort besagt, dass der Bericht "[angibt], dass [die UAPs] nicht amerikanisch sind". Tatsächlich heißt es sehr deutlich: „Einige UAP-Beobachtungen könnten auf Entwicklungen und geheime Programme von US-Einheiten zurückzuführen sein. Wir konnten jedoch nicht bestätigen, dass diese Systeme für einen der von uns gesammelten UAP-Berichte verantwortlich waren.“ Das bedeutet, dass sie nicht wissen , ob sie Amerikaner sind … nicht, dass sie wissen, dass sie keine Amerikaner sind.
Auch "ungewöhnliche Flugeigenschaften" ist nicht im Entferntesten gleichbedeutend mit "sie tun Dinge, die unser derzeitiges Verständnis der Physik übersteigen". Tatsächlich kommt das Wort „Physik“ genau 0 Mal im Bericht vor.
@Dancrumb Wenn die US-Regierung nicht feststellen kann, dass sie Amerikaner sind, bedeutet das, dass sie entweder keine Amerikaner sind, dass sie den Kongress anlügen (was illegal ist) oder dass sie massiv inkompetent sind. Die UAPs sind nicht amerikanisch.
"Außerdem ist "ungewöhnliche Flugeigenschaften" nicht im Entferntesten gleichbedeutend mit "sie tun Dinge, die unser derzeitiges Verständnis der Physik übersteigen". Genau das bedeutet dieser Satz in diesem Zusammenhang. Aus dem Bericht: "Einige UAP schienen bei Winden in der Höhe stationär zu bleiben, sich gegen den Wind zu bewegen, abrupt zu manövrieren oder sich mit beträchtlicher Geschwindigkeit ohne erkennbare Antriebsmittel zu bewegen." Das ist physikalisch nicht möglich . Außerdem ist „erhebliche Geschwindigkeit“ eine Untertreibung – andere Aussagen von Beamten haben erwähnt, dass sie mit Dutzendfacher Schallgeschwindigkeit fliegen – ohne sichtbaren Antrieb!
Ein Bericht, der keine solide Schlussfolgerung hat und der hauptsächlich den Mangel an Daten betont, ist keine gute Grundlage für eine Antwort auf diese Frage. Die Unfähigkeit der US-Regierung, etwas zu identifizieren, ist kein Beweis für außerirdisches Leben! Bitte erinnern Sie sich, wofür das „U“ in „UAP“ steht.
@Harabeck In der Tat. Ich erkenne diesen Mangel an Informationen in diesem Beitrag an. Wir wissen jedoch, was sie nicht sind und welche Eigenschaften sie gezeigt haben.
@nick012000 Wir können einige Erklärungen ausschließen, aber die Eigenschaften? Wir können angeben, was von Zeugen berichtet wurde, und in einigen wenigen Fällen, was von Sensoren aufgezeichnet wurde. Das bedeutet nicht, dass wir diese Objekte definitiv charakterisieren können. Sensoren können falsch gelesen werden, Fehlfunktionen aufweisen, elektronischer Kriegsführung/Spoofing usw. ausgesetzt sein. Der schreckliche Mangel an Daten erlaubt es uns nicht, definitiv viel über diese Objekte auszusagen, außer dass etwas existiert, das wir nicht identifiziert haben.
Wie ernst ist das Problem des interstellaren Staubs für die interstellare Raumfahrt?
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