Wie groß müssen ein Fusionsreaktor und eine darauf folgende Kondensatorbatterie sein, um einen Massenantrieb ins All zu befördern?

Es gibt mehrere Probleme:

1. Der Massentreiber: Massentreiber sind ein sehr cooles Konzept, aber sie müssen, wie alle Dinge, Reibung berücksichtigen. Die FAA-Definition für den Weltraum bei knapp über 80 Kilometern basiert auf der Tatsache, dass Objekte diese Grenze überschreiten und im Orbit bleiben können. Alles darunter erzeugt genug Luftwiderstand, um sich selbst zu deorbitieren. Nämlich : 2667 Meter über dem Meeresspiegel sind nicht annähernd hoch genug, um etwas direkt in die Umlaufbahn zu schießen.
2. Die NASA empfiehlt normalerweise, 3 g Beschleunigung nicht zu überschreiten, obwohl eine gut trainierte Person bis zu 10 aushalten und mehr als 40 überleben kann. Unter Berücksichtigung dieser und der guten alten Rechnung können wir eine grobe Schätzung der erforderlichen Länge des Fahrers (x = (v^2)/2a): Bei 3 g bräuchten Sie 1380 km, bei 5 g 828 km und bei 10 g nur 414 km. Um diese Beschleunigung auf 140 km zu erreichen, müssten Sie mit 30 g beschleunigen. Es ist wahrscheinlich, dass die meisten Menschen das keine fünf Minuten lang aushalten.
3. Es ist irreführend, den Energieverbrauch zu verwenden, um zu erklären, wie Sie in die Umlaufbahn gelangen. Um in der Erdumlaufbahn zu sein, müssen Sie sich mit einer Geschwindigkeit von etwa 7,8 km pro Sekunde und außerhalb des größten Teils der Atmosphäre befinden. Bei idealen Trajektorien entspricht dies einem Delta-v von etwa 9,1 km pro Sekunde. Die Realität ist leider kaum ideal. Wenn das Manöver, um in die Umlaufbahn zu gelangen, ein größeres horizontales Element enthält, geht ein größerer Schub- und damit Energieverlust durch die Schwerkraft einher. Darüber hinaus reduziert der atmosphärische Luftwiderstand auch die Energie und nimmt exponentiell zu, wenn Sie mit immer höheren Geschwindigkeiten durch die Atmosphäre fliegen.
4. Was die Macht betrifft, gilt im Großen und Ganzen: Wo ein Wille ist, ist auch ein Weg. Wir haben derzeit die Möglichkeit, Magnete im LHC auf 10 GJ aufzuladen, also sollten Sie in der Lage sein, dies mit der heutigen Technologie zu tun. Die Größe des Kraftwerks hängt nur davon ab, wie oft Sie das Ding abfeuern möchten (1 Watt = 1 Joule pro Sekunde. Rechnen Sie nach.)

Obwohl dieses Konzept etwas fehlerhaft ist, ist es nicht fatal. Der Mass-Treiber kann für die anfängliche Beschleunigung usw. verwendet werden. Geben Sie also das kleine X nicht auf, erben Sie die Sterne.

Massenantrieb auf der Erde ist nicht unbedingt eine großartige Idee, aber es gibt noch einige laufende Projekte von der Waffe bis zum Weltraum und sie könnten sinnvoll sein, also lassen Sie uns einige Zahlen zusammenfassen.

Startenergie zu verbrauchen ist

40 MJ/kg ist eine vernünftige Zahl, diese Zahl repräsentiert kinetische Energie bei 8944 m/s. Wenn ich mich bei diesem Staustrahlkanonenprojekt richtig erinnere, durch die Luft zu gehen, um kleine Projektile unter einer Tonne zu finden, können die Verluste bis zu 50% betragen. Bei größeren Projektilen verbessern sich die Situationen tendenziell, je größer (abnehmender Anteil an Oberfläche / Masse) das Projektil, desto geringer die Verluste, länger in der Luft, flacher der Winkel, desto mehr Verluste. Aber lassen Sie uns mit diesem Aspekt 50% Verluste machen, vielleicht zu viel, aber es hängt von der spezifischen Flugbahn und dem Aufstiegswinkel ab.

Speicherverluste erreichen eine Effizienz von 70-80 Prozent – ​​Batterien, Kondensatoren, mechanische Speicher + plus einige Übertragungsverluste – 70 Prozent Speichereffizienz.

Das Gleis an sich ist keine ideale Maschine, was auch immer dort passiert - Selbstreinigungsverfahren, Richtgeräte, Kühlschlangen oder Konditionierung des Gleises oder was auch immer - gehen wir mal 50%.

Wir können also mit einem Wirkungsgrad von 17,5 Prozent enden, und diese 40 MJ/kg blähen sich auf etwa 230 MJ/kg und insgesamt 4600 GJ oder 1,26 GWh auf. Runden wir es ein wenig auf, da Sie möglicherweise einen zusätzlichen Schlitten (wie einen Raketenschlitten) benötigen, der nicht in den Weltraum fährt, aber das Ding auf Kurs hält und es 1,5 GWh (5,4 TJ) sagt.

Die Startparameter sind also:

• 12,6 km/s Geschwindigkeit (wahnsinnig), 57 g (viel), 140 km Beschleunigungsstrecke (kurz, nicht für Menschen geeignet, irgendwie)

Gesamtenergie zu erzeugen und für den Start zu berechnen - 1,5 GWh Preis mit 0,1 Dollar pro kWh - 150 Riesen.

• 30% Lade-Entlade-Verlust, 50% Spurverlust Auf diese Weise muss in Kondensatorbänken etwa 2-mal mehr gespeichert werden, als im Idealfall erforderlich ist, und erneut 2-mal, da wir schneller schießen müssen, als wenn keine Luft vorhanden wäre - insgesamt 4x im Vergleich zum Idealfall
• und insgesamt müssen wir vom Kraftwerk zum System 5,7x liefern als im Idealfall, insgesamt 1,26 (1,5) GWh
• Low Earth Orbit (LEO) Trans-Lunar Injection (TLI) 3,20 km/s Delta-V, auf diese Weise benötigen Sie etwa 3 km/s mehr und es beträgt etwa +57 % Energie.

Reaktor Anforderungen

150 MW, ITER-III – ja, ziemlich typisch ITER – 840 m3 Plasmavolumen, 500 MW Wärme mit einem großen Gebäude und so weiter.

Und von der Summe sehen wir, dass es ausreichen kann, 1-2 Starts pro Tag zu machen - also als Energiequelle - es ist in Ordnung.

häufigere Starts und Sie benötigen möglicherweise proportional mehr davon oder Sie erhalten ein stillgelegtes Kernkraftwerk - mit nur einem Block erhalten Sie etwa das Zehnfache, und es gibt nur wenige davon in einer Anlage. (oder nur Stromrechnung bezahlen, nicht so teuer)

• Sogar ein mit Diesel (Methan) betriebener Generator reicht aus, es ist definitiv eine effizientere Lösung als die Verwendung dieses Kraftstoffs in einer chemischen Rakete.

Auf den letzten Kilometern liegt der Spitzenstromverbrauch bei etwa 2800 GW (57 g, Höchstgeschwindigkeit 12,6 km/s, x2 (bedingter Verlust 50 % auf der Strecke), 20000 kg Nutzlast).

Dies ist das 40-fache der Spitzenleistung der deutschen (?) Stromerzeugung oder etwa 242 GW (Durchschnitt) für etwa 22,1 Sekunden, ja, ein bisschen zu viel für die meisten Arten der Energieerzeugung - aber für einen Fusionsreaktor kann es tatsächlich sein nicht so schlecht.

Nicht unbedingt für Tokamak ITER – aber im Allgemeinen für die Fusion, wie sie jetzt ist – sie funktionieren für kurze Zeit, wie im Moment und der Start dauert nur 22 Sekunden – also ist vielleicht genau die Notwendigkeit einer solchen Burst-Leistung das, was es ausmacht eine gute Ergänzung zu den damaligen Fusionstechnologien - sie müssen nicht zu lange arbeiten, sie können im Impulsmodus arbeiten, da dies genau das ist, was die Strecke benötigt. Unter manchen Umständen kann es ein himmlisches Match sein, mit einem MHD-Generator , der im ausgereiften Stadium Startnutzlasten mit Sekundenintervallen ermöglichen kann - fusionsbetriebene Raketenstarts, wie cool ist das definitiv etwas, auf das man sich freuen kann.

• diese Fusionsrichtung erfordert weitere Untersuchungen. Es muss das Plasma nicht aufrechterhalten, sondern eher wie ein Prototyp eines Fusionsraketentriebwerks funktionieren, eine offenere Architektur haben, kein Tokamak, weniger Stabilitätsprobleme (vielleicht), da sie als Abgas ausgeblasen werden.

• Es erfordert ungefähr 18.000 ITER wie im Q, um das Ding direkt mit Strom zu versorgen, wenn sie keine angemessene Spitzenleistung liefern können, und wenn sie dem Leistungsprofil in diesen 22 Sekunden folgen können, können es 1600 dieser Blöcke sein

• Mit dem Aufladen erfordert der Start einmal pro Stunde etwa 1,5 GW Stromleitung, was nicht so viel ist. Verstehen Sie es nicht falsch, es ist eine gute, fleischige Linie, aber Kraftwerke können 1000 km entfernt sein.

Energiespeicher

Fun Fact zuerst - pro Meter der Strecke wird gleich viel Energie benötigt. Der Energiespeicher kann also eine Reihe der gleichen Kästchen entlang der Strecke sein, und in diesem Sinne spielt sein Volumen keine so große Rolle, die Masse schon, da sie direkter mit dem Preis einer Lösung korreliert.

Somit erhalten wir unsere 1,5 GWh (5,4 TJ) und unter Berücksichtigung unserer angenommenen 70% Verluste beim Laden (etwas falsch, aber ...), muss die Spezifikationskapazität pro Meter der Strecke 27 MJ betragen (übrigens ein paar kg). Propan, 49,6 MJ/kg – kann eine Option sein, ähnlich der EMP-Ladung).

Aus dem Wiki sieht die Situation für Lithiumbatterien und Schwungräder (gutes Zeug übrigens) ähnlich aus - ungefähr 57 kg des Zeugs pro Meter Gleis. (Die Ausgangsentladung ist jedoch zu gering, daher ist es nur eine Zahl für die Energiespeicherung)

Superkondensatoren

Spezifische Energie ist, wie viel Energie sie massenweise speichern können. spezifische Leistung - wie schnell oder wie stark ist die Entladung

In Bezug auf die Energie benötigt es also etwa 1500 kg Supercaps (18000 J/kg, 5 Wh/kg), aber in Bezug auf die Entladung ist es etwas schwierig.

Mit 10 kW/kg spezifischer Leistung und einer Gesamtmasse von 210.000 Tonnen dieser Superkondensatoren beträgt die Gesamtentladungsleistung 2.100 GW, was weniger als die Spitzenleistung von 2.800 GW ist, es werden mehr von diesen Kondensatoren benötigt, 280.000 Tonnen oder 2000 kg/m, realistisch wahrscheinlich sogar noch mehr, aber wir haben vorher eine ziemlich gute Sicherheitsmarge mit allen Wirkungsgraden und Verlusten, Zeit, sie hier zu nutzen.

• Praktischerweise enthält die Tabelle Zahlen für normalere Kondensatoren, ungefähr gleich für sie, 10-mal bessere Entladeleistung und 10-mal schlechter in Bezug auf die Energiespeicherung, aber wenn sie 10-mal billiger sind, kann es eine Alternative sein.

Als Volumen nehmen wir LSG/Mangandioxid mit 42 Wh/L(150kJ/L) mit 10kW/L Entladung (was verwendet wurde) und 10'000 Zyklen (suspicious dog.jpg, nicht in diesem Setup, lol)

Und wir bekommen 240 l pro Meter Gleis oder 12 5-Gallonen-Eimer (schätze ich).

Insgesamt bekommen wir 33600 Kubikmeter, viel, aber eine Station pro km wird 240 Kubikmeter pro Station sein, mit Abständen wie ein paar Meter hohes 10 x 20 m Rechteck.

Probleme und Nicht-Probleme

@thewildnobody hat sie in seiner Antwort gut genug angesprochen.

Dennoch gibt es Dinge zu erwähnen, vielleicht sogar positive.

NACA, eine Agentur, die älter als die NASA war, führte früher einige Tests durch, und zum Testen wurde ein submersives halbunterstütztes Setup verwendet, das es einigen Testern ermöglichte, 30 g (oder so ähnlich) etwa 30 Sekunden lang auszuhalten - die Grenzen waren auf Zentrifugenspezifikationen zurückzuführen und Atemhaltegrenzen eines Testers. Und das Maximum für kurze Zeit war 83 g (nicht mit dem Setup) - in diesem Sinne sind 57 g nicht unmöglich, auch wenn sie problematisch sind.

Und aufgrund der Atmosphäre muss man sich auf hohe G's einstellen, auch wenn man eine längere Strecke mit moderaten 5g hat, wie man es sich wünscht, dann bleiben nach dem Ausstieg aus Massdriver immer noch ein paar Sekunden Deklaration, und es geht nicht einfacher als es wird eine entgegengesetzte Kraft sein, und diese Beschleunigung kann sehr hoch sein, in ein paar Sekunden kann sie einige km/s sooo abfallen, Verluste durch Wechselwirkung mit der Luft können ziemlich hoch sein, also die Verzögerung. Für einige Arten von unbemannten Fahrzeugen ist es immer noch in Ordnung - aber für Menschen brauchen Sie auf jeden Fall eine gute Jelly Box. Die gesamte Lebensfähigkeit hängt davon ab, wie gut diese Jelly Box ist.

Überschuss an Gelee oder Wasser kann wahrscheinlich für eine ablative Lösung für die entscheidenden Sekunden verwendet werden, bevor das Fahrzeug die dichte Atmosphäre verlässt, aber es ist nicht sicher.

ps aus irgendeinem Grund bin ich bei Zahlen geblieben und habe viele Fehler gemacht, jetzt glaube ich, dass es mehr oder weniger in Ordnung ist, aber es ist immer noch mehr oder weniger ein Beispiel für Berechnungen.