Wie viel Schaden würde eine Raumsonde anrichten?

Nicht genug, um ein weltweites Aussterben zu verursachen.

Ich könnte Dinge in Gleichungen stecken, aber ich bin faul. Das Einstecken der relativistischen kinetischen Energie einer 100-kg-Masse, die sich bei 0,4 c bewegt, ergibt$8 \times 10^{17}$Joule. Die Seite über den Aufprall, von dem angenommen wird, dass er die Dinosaurier tötet, der Chicxulub-Einschlag , sagt, dass die Energie, die bei diesem Ereignis freigesetzt wurde, war$4\times 10^{23}$Joule.

Eine schnelle Google-Suche zeigt, dass es um die Juno-Sonde geht$3000$kg, oder etwa dreißigmal schwerer als die Masse, die ich eingesteckt habe. Das bedeutet, dass Ihre Sonde 0,00006-mal so viel Energie freisetzen würde wie beim Chicxulub-Einschlag. Das ist viel, aber nicht im Großen und Ganzen!

Nehmen wir an, es bewegt sich mit einer konstanten Geschwindigkeit von 0,4 c (da wir nichts über seine Beschleunigung wissen) und seine Masse beträgt 100 kg. Bei diesen Geschwindigkeiten sind die relativistischen Effekte gering im Vergleich zu der Tatsache, dass ich die Masse einfach aus dem Nichts gemacht habe, sodass wir eine klassische Lösung finden können.

Verwenden$E=1/2mv^2$Wir finden, dass die Energie ist$1/2 \times 100 \times 119916983^2 = 7.19004143 \times 10^{17} ~\mathrm J$. Wenn wir meine Lieblingsseite im Internet, Orders of Magnitude (Energy) , verwenden, sehen wir, dass dies der Detonation der Zarenbombe gleichkommt, der größten jemals gebauten Atomwaffe. Es ist 6 Größenordnungen von der Energie entfernt, die durch das Chicxulub-Meteorereignis freigesetzt wurde, von dem angenommen wird, dass es das Aussterben der Dinosaurier verursacht hat.

Daher besteht ein geringes Risiko eines Aussterbeereignisses. Das und versehentlich einen 4 Lichtjahre entfernten Planeten zu treffen, ohne es zu versuchen, ist ziemlich schwierig!

Die Berechnung des durch einen Aufprall verursachten Schadens ist eine ungenaue Angelegenheit, aber wir könnten das KT-Aussterbeereignis (das die Dinosaurier erledigte) als Maßstab verwenden. Dieser Aufprall hatte eine Energie von ca$4.2\times 10^{23}$Joule . Die Frage ist dann, wie schnell unsere Sonde so viel Energie liefern müsste.

Für ein relativistisches Projektil ist die Gesamtenergie gegeben durch:

und die kinetische Energie ist genau diese Energie abzüglich der Energie der Ruhemasse$mc^2$.

Nehmen wir an, unsere Sonde hat eine Masse von einer Tonne ($10^3$kg), was ungefähr der Masse der Voyager-Sonden entspricht . In diesem Fall wäre eine Geschwindigkeit von etwa erforderlich, um der Energie des Chicxulub-Aufpralls zu entsprechen$0.99999998c$. Sie schlagen eine Geschwindigkeit von vor$0.4c$, und bei dieser Geschwindigkeit wäre die kinetische Energie vorhanden$8\times 10^{18}$Joule, was um den Faktor 50000 niedriger ist als die Schlagenergie von Chicxulub. Trotzdem möchte ich nicht darunter stehen, wenn es einschlägt.

Aber es gibt ein paar Punkte, die gemacht werden müssen.

Erstens ist der Weltraum groß – wirklich groß – und meistens leer. Die Wahrscheinlichkeit, dass eine Sonde irgendetwas trifft, ist so lächerlich gering, dass niemand es ernst nehmen wird.

Zweitens kümmert sich die NASA darum, was mit ihren Sonden passiert, und dies ist Teil der Missionsplanung. Zum Beispiel wird die Cassini-Sonde absichtlich auf den Saturn geschleudert, wo die Hitze des Wiedereintritts sie zerstören wird (und alle Lebensformen der Erde, die sich möglicherweise darauf verstecken).

Erstens kann ein Raumschiff auch ohne ein künstliches Bremssystem durch die Gezeitenkräfte der vorbeifahrenden Planeten/astronomischen Körper abgebremst werden, ebenso wie es durch die Gravitationsunterstützung beschleunigen kann. Es wird also nicht unbedingt katastrophale Geschwindigkeiten erreichen, indem es einfach lange durch den Weltraum reist.

Lassen Sie uns nun die Energie abschätzen, die freigesetzt wird, wenn die Raumsonde New Horizons auf einen Planeten wie die Erde stürzt. New Horizon hat ein Bruttogewicht von etwa 400 kg. Seine letzte aufgezeichnete Geschwindigkeit (aktueller Weltrekord) beträgt 16,26 km/s = 16260 m/s. Nehmen wir an, es stürzt mit dieser Geschwindigkeit ab. Und all seine kinetische Energie wird in Wärme umgewandelt. Die freigesetzte Wärme wird etwa 53.000.000.000 J betragen. Eine Tonne TNT produziert etwa 4,184$*$ $10^9$J der Energie. Die beim Crash freigesetzte Energie beträgt etwa das 10-fache dieser Energie. Das ist ungefähr genug, um einen ausreichend großen Tunnel in einen durchschnittlichen Berg zu sprengen. Der Planet wird es nicht einmal bemerken.

Die Raumsonde wird keinen Schaden anrichten, da sie in der Exosphäre verdampft wird. Wenn die Sonde in einem Abstand von etwa 100 AE vom Stern in das interplanetare Medium eintritt, kollidiert sie mit Ionen mit einer Dichte in der Größenordnung von 5 Ionen pro$\text{cm}^3$. Die Kollisionen mit Protonen geschehen mit einer Geschwindigkeit von 0,4 c, also mit einer Energie in der Größenordnung von 100 MeV, also ist dies ziemlich ähnlich wie bei intensiver Alphastrahlung. Die Temperatur des Hitzeschilds wird auf etwa 600 K erhöht. Der Hitzeschild kann Temperaturen bis zu etwa 6000 K tolerieren, bevor er verdampft. Diese Temperatur wird erreicht, wenn die Dichte ist$10^4$mal größer, also 50.000 Ionen pro$\text{cm}^3$. Aber in 1000 km Höhe über der Erde haben Sie normalerweise schon$\sim 10^{6}$Atome pro$\text{cm}^3$.

Wenn sich die Sonde einem erdähnlichen Planeten nähert, steigt die Temperatur ihres Hitzeschilds aufgrund des zunehmend intensiven Bombardements der Ionen und Atome, die sie aufnimmt, allmählich an. Bei 10.000 km ist die Abschirmung rotglühend, 0,02 Sekunden später bei 4.000 km ist sie höchstwahrscheinlich verdampft und setzt das Innere Temperaturen in der Größenordnung von 6.000 K aus. Die gesamte Sonde verdampft dann einfach vollständig, bevor sie 1.000 km erreicht Distanz.

Die Atome, aus denen die Sonde besteht, bewegen sich weiter in die Atmosphäre, bis sie mit Atomen kollidieren. Durch den Zerfall ist nun jedes Atom „für sich“, während bei einem Festkörper nur die Atome an der Oberfläche Kollisionen erleiden würden. Alle Atome werden bereits in einigen hundert Kilometern Höhe mit Atomen aus der oberen Atmosphäre kollidiert sein. Bei diesen hochenergetischen Kollisionen werden die Atome ionisiert und erfahren dann die starke Lorentz-Kraft aufgrund des Erdmagnetfelds. Diese Prozesse werden dazu führen, dass die Energie der Sonde weit über 100 km Höhe verteilt wird.