Also, ich habe mir The Expanse auf Syfy angeschaut , und ich liebe es, wie detailliert die Drehbuchautoren und Autoren die Schiffe und die Physik in der Show so real wie möglich gemacht haben. Aber ein Detail verwirrt mich immer noch: die Schwerkraft auf Schiffen wie der Donnager und der Rocinante .
Ich verstehe, wie es funktioniert. Während die Motoren laufen, wird das Schiff beschleunigt, um die Schwerkraft zu simulieren (in diesem Fall mit 9,8 Metern pro Sekunde beschleunigt, wodurch die Schwerkraft der Erde simuliert wird). Aber obwohl heute ständig beschleunigende Motoren verwendet werden, ist dies weit weniger effizient, als eine Übertragung durch eine schnelle Verbrennung aneinanderzureihen. Und das ist nur für eine leichte Sonde.
Angesichts der schnellen, aber ineffizienten Motoren von The Expanse , wie viel Treibstoff müsste ein Schiff verbrennen, um für die gesamte Dauer einer Reise (z. B. von der Erde nach Ceres) ein konstantes Gefühl der Schwerkraft aufrechtzuerhalten? Sicher, ein riesiges Schiff wie die Donnager könnte wahrscheinlich genug Treibstoff fassen, aber ein so kleines Schiff wie die Rocinante könnte unmöglich eine Reise so weit machen, oder?
Angesichts der schnellen, aber ineffizienten Motoren von The Expanse
Der springende Punkt bei den Motoren in The Expanse , die „Epstein-Antriebe“ genannt werden, ist, dass sie nicht „schnell und ineffizient“ sind. Sie sind in der Tat äußerst effizient. Und natürlich völlig fiktiv und nicht von Magie zu unterscheiden – der größte Teil der Physik in der Show- und Buchreihe ist realistisch, aber die Existenz der hocheffizienten Epstein-Antriebe ist die wichtigste Handbewegung, die sie machen mussten, um einen Kolonisierten zu präsentieren Sonnensystem (während die Menschheit immer noch auf das Sonnensystem beschränkt ist).
Ich weiß nicht mehr, wie viel in der TV-Serie über die Epstein-Antriebe gesprochen wurde, aber die Technologie wird auf der allerersten Seite des ersten Buches der Serie ( Leviathan Wakes ) vorgestellt und erklärt sofort, wie das Sonnensystem kolonisiert wurde.
Es gibt auch eine Kurzgeschichte namens Drive , die ein Prequel ist, das sich auf die Erfindung des Epstein-Antriebs konzentriert. Es kann kostenlos online auf der Website von Syfy gelesen werden: http://www.syfy.com/theexpanse/drive/prequel.php – es könnte Sie dazu bringen, Ihren Unglauben in dieser Angelegenheit aufzuheben.
Während die Motoren laufen, wird das Schiff beschleunigt, um die Schwerkraft zu simulieren (in diesem Fall mit 9,8 Metern pro Sekunde beschleunigt, wodurch die Schwerkraft der Erde simuliert wird).
Auch höhere Beschleunigungen hält der Epstein-Antrieb problemlos aus, um schneller ans Ziel zu kommen. Die Begrenzung der Beschleunigung ist hier der menschliche Körper, aber es gibt Steroidcocktails, die Menschen sehr hohe Verbrennungen für kurze Zeit überleben lassen. Menschen, die auf der Erde aufgewachsen sind, können ohne Probleme etwas mehr als 9,8 m/s² überleben, während Asteroiden es vorziehen, noch niedriger zu sein.
Natürlich müssen Schiffe, die mit anhaltendem Brennen fahren, auf halber Strecke umdrehen und dann in die entgegengesetzte Richtung brennen, um langsamer zu werden, wodurch die Passagiere während der gesamten Fahrt dieselbe simulierte Schwerkraft erhalten (mit Ausnahme des Überschlagens).
Die Tsiolkovsky-Raketengleichung gibt eine allgemeine Formel an, die auf jede Rakete anwendbar ist, die Abgas nach hinten schießt, um in Vorwärtsrichtung zu beschleunigen, die Ihnen das Verhältnis der Anfangsmasse einschließlich Kraftstoff zur Endmasse nach Verbrauch des Kraftstoffs angeben kann Werte der "effektiven Abgasgeschwindigkeit" ( hier und hier für verschiedene Typen realer und hypothetischer Raketen angegeben), der Beschleunigungsrate während des Raketenabbrands und der Geschwindigkeitsänderung der Rakete zwischen Beginn und Ende des Abbrands. In dieser AntwortIch habe einige Substitutionen und Neuanordnungen an der relativistischen Version der Tsiokolvsky-Raketengleichung vorgenommen, um eine Formel zu erhalten, die Ihnen das Anfangs-/Endmassenverhältnis liefert, ausgedrückt als effektive Abgasgeschwindigkeit V, Beschleunigung A und zurückgelegte Strecke D zwischen Anfang und Ende der Raketenzündung (ausgedrückt in Einheiten mit Lichtgeschwindigkeit 1, wie Sekunden und Lichtsekunden):
e^((1/V) * atanh((A * sqrt((D)^2 + (2 * D/A)))/(sqrt(1 + (A * sqrt((D))^2 + (2 * D/A)))^2))))
Wie ich in der Antwort angemerkt habe, gilt diese Gleichung für eine kontinuierliche Beschleunigung in eine Richtung, aber wenn Sie das Massenverhältnis unter der Annahme herausfinden möchten, dass Sie für eine Entfernung von D / 2 beschleunigen und dann für eine weitere D / 2 abbremsen, Sie würde einfach D / 2 in die obige Gleichung einsetzen und quadrieren, was ergibt:
(e^((1/V) * atanh((A * sqrt((D/2)^2 + (2 * D/(2A))))/(sqrt(1 + (A * sqrt((D/ 2)^2 + (2 * D/(2A))))^2)))))^2
Sie können diese Gleichung also einfach kopieren und in diesen praktischen Online-Rechner einfügen , auf die Schaltfläche „Ausführen“ klicken und dann die gewünschten Werte für V, A und D eingeben, um das Massenverhältnis zu erhalten. Praktische Einheiten für Reisen innerhalb des Sonnensystems könnten Stunden und Lichtstunden sein, in diesem Fall ergibt eine Beschleunigung von 1 g A = 0,00011776 und 1 astronomische Einheit (AU) D = 0,138612. Die Erde hat eine durchschnittliche Umlaufbahnentfernung von 1 AE und Ceres eine durchschnittliche Entfernung von 2,7675 AE, sodass die nächste Annäherung etwa 1,7675 AE (oder D = 0,245 Lichtstunden) und die weiteste Annäherung etwa 3,7675 AU (D = 0,522 Lichtstunden) beträgt ).
Für eine maximal effiziente Antimaterie-Rakete, bei der der gesamte Auspuff mit Lichtgeschwindigkeit herausschießt, haben wir V = 1, und mit A = 0,00011776 und D = 0,522 sagt Ihnen die zweite lange Gleichung, dass die Anfangsmasse einschließlich Treibstoff nur das 1,0158-fache betragen würde größer als die Endmasse am Ende der Fahrt, sodass Sie nur 0,0158 Tonnen Kraftstoff für jede Tonne Nutzlastmasse haben.
Aber eine Antimaterie-Rakete ist eine ziemlich ferne Zukunftstechnologie, realistischer wäre eine Art Fackelschiff , das sowohl eine hohe Beschleunigung als auch eine hohe Geschwindigkeitsänderung aufweist, verglichen mit bestehenden Systemen wie Ionenantrieben (hohe Geschwindigkeitsänderung im Vergleich zu chemischen Raketen, aber sehr geringe Beschleunigung, so dass die Zeit zum Erreichen dieser Geschwindigkeitsänderung groß ist) oder chemische Raketen (hoher Schub, aber viel geringere Geschwindigkeitsänderung als ein Ionenantrieb bei einer bestimmten Brennstoffmasse). Abgesehen von wirklich fortschrittlichen Technologien wie Antimaterieantrieben wäre die wahrscheinlichste Technologie eine Art nuklearer Antrieb; Das Diagramm hier zeigt, dass die Abgasgeschwindigkeiten für verschiedene Arten von Kernfusionsreaktionen als Bruchteile der Lichtgeschwindigkeit und der riesigen Raketentriebwerksliste stehenIch habe früher gepostet und zeigt auch eine Reihe von nuklearthermischen Raketen, die Spaltung verwenden (suchen Sie nach solchen mit 'NTR' in der 'Code'-Spalte der Tabelle). Dieses Diagramm gibt effektive Abgasgeschwindigkeiten in Metern/Sekunde an, aber Sie können durch 299792458 m/s dividieren, um die effektive Abgasgeschwindigkeit als Bruchteil der Lichtgeschwindigkeit zu erhalten; Ich würde mich nicht um etwas kümmern, das eine effektive Abgasgeschwindigkeit hat, die viel niedriger als das 0,004-fache der Lichtgeschwindigkeit (etwa 1,2 Millionen Meter / Sekunde) oder 0,003 (etwa 900.000 Meter / Sekunde) ist, da ich diese für V in die von mir angegebene Gleichung einfüge während Bei Beibehaltung der anderen Werte von A=0,00011776 und D=0,522 ergibt sich ein Massenverhältnis von etwa 50 für V=0,004 (was bedeutet, dass Sie etwa 49 Tonnen Kraftstoff für jede Tonne Nutzlast benötigen) und 186 für V=0,003 (185 Tonnen Kraftstoff für jede Tonne Nutzlast).
Wenn man es sich ansieht, gibt es in der Tabelle nur sehr wenige Beispiele, die eine Abgasgeschwindigkeit im Bereich von 1 Million m / s oder höher und einen hohen Schub im Bereich von Tausenden von Newton haben (notwendig, wenn Sie eine Beschleunigung von 1 g wünschen); Tatsächlich sieht es so aus, als ob keines der nuklear-thermischen Spaltungsdesigns auch nur annähernd im richtigen Bereich liegen würde, sodass ein Kernfusionsantrieb (entweder als "Fusion" oder "Pulse" in der Spalte "Code" bezeichnet) die wahrscheinlichste Alternative sein könnte zur Antimaterie. Am unteren Rand des Diagramms befindet sich jedoch eines namens "NSWR (90% UTB) MAX", das sich als ein auf Kernspaltung basierendes Design unter Verwendung einer nuklearen Salzwasserreaktion herausstellt, wobei diese spezielle Option von einem sehr angereicherten Uransalz ausgeht, bei dem "die 2%ige Uranbromidlösung Uran verwendete, das auf 90% U235 angereichert war, anstatt nur auf 20%". In diesem Fall wäre die theoretische Abgasgeschwindigkeit 4700000 Meter/Sekunde, und wenn Sie durch 299792458 m/s dividieren, ergibt sich daraus V=0,0157, eingesetzt in die Gleichung, die ein Massenverhältnis von nur 2,7 oder 1,7 Tonnen ergibt Kraftstoff für jede Tonne Nutzlast. Das könnte also eine gute Option für eine Art von Technologie sein, die die grundlegenden Parameter erfüllt und nicht so fortschrittlich ist wie eine Fusions- oder Antimaterierakete.
Die Antwort auf eine Frage der Kraftstoffmenge ist in der Serie ziemlich definiert – sehr wenig .
Der Brennstoff wird als "Pellets" für Fusionsreaktoren bezeichnet. Pellets sind klein genug, um eine "Kiste" davon einfach auf dem Schiff herumliegen zu haben und von einer Person transportiert zu werden, die die Kiste greift. Also nichts tonnenschweres.
Der Reaktor wird so beschrieben, dass er eine kleine Masse an Brennstoffzündung herstellt und große Energiemengen freisetzt.
Im ersten Buch wird beschrieben, dass Rocinante genügend Brennstoffpellets für "30 Jahre" Reaktornutzung geladen hat.
Die Fackelantriebe , die in der Serie als ältere Technologie beschrieben werden, deren derzeitige Verwendung auf sehr kleine Fahrzeuge beschränkt ist, benötigen auch erhebliche Mengen an Treibmittel (was normalerweise Wasser in der Umgebung zu sein scheint). Sie scheinen nach dem Prinzip des Fusionsantriebs zu funktionieren, der sich aufheizt und Treibmittel ausstößt, um Schub zu erzeugen.
Die aktuellen Epstein- Laufwerke scheinen entweder sehr wenig oder gar kein Treibmittel zu benötigen. Sie werden als eine Variation des Fusionsantriebs beschrieben, der Energie irgendwie hocheffizient in Schub umwandeln kann. Die Details werden absichtlich weggelassen, es ist eine magische Sache, von der die Einstellung abhängt.
Der Kraftstoffpreis im Buch wird grob verglichen mit weniger als importiertem Käse in der Region der äußeren Planeten.
Wann immer die Wiederauffüllung von Rosinante ansteht, scheint es weit entfernt zu sein: Reparaturen und Munition, dann menschliche Verbrauchsmaterialien, dann technische Verbrauchsmaterialien wie Treibmittel und Treibstoff.
Während Schiffe selbst als teuer bezeichnet werden, scheint die Tatsache der realisierbaren Weltraumpiraterie in der Umgebung darauf hinzudeuten, dass der Betrieb des Schiffes, wenn Sie bereits eines haben, erschwinglich ist und nicht von einer kontrollierten Versorgung mit Treibstoff abhängt.
Das angenommene Modell der Raumfahrt scheint den Menschen als limitierenden Faktor zu halten.
Es wird beschrieben, dass Schiffe in der Lage sind, leicht Beschleunigungen zu erzeugen, die jede menschliche Besatzung einfach töten. Der begrenzende Faktor für die Reisegeschwindigkeit ist also die Ausbildung der Besatzung – das Militär ist darauf trainiert (und kann angewiesen werden), eine hohe Beschleunigung über längere Zeit auszuhalten, Zivilisten nicht so sehr.
Dennoch scheint es für Schiffe ausreichend zu sein, "einfach dorthin zu fahren", wo sie müssen, anstatt die Gravitation von Planeten zur Beschleunigung zu berücksichtigen / zu nutzen und sich um ihre günstige Position zu kümmern.
Setting besagt, dass Epstein-Antriebe, die für den Weltraumantrieb verwendet werden, unglaublich effizient darin sind, winzige Treibstoffmassen für den Schub zu verwenden.ohne (?) Einsatz von TreibgasSpätere Bücher scheinen zu sagen, dass Epstein-Antriebe immer noch Treibstoff und gelegentliche Nachschub benötigen, nur viel viel weniger als Fackelantriebe .
Der im Expanse verwendete Epstein-Antrieb liegt laut diesem Artikel gerade noch innerhalb des Fensters dessen, was für einen Fusionsantrieb theoretisch möglich ist . In „Drive“ erreicht Epsteins ursprünglicher Prototyp bis zu 5 % c, bevor ihm der Treibstoff ausgeht, also können wir davon ausgehen, dass der Nauvoo auf 2,5 % c kommt und dann einige Jahrhunderte im Leerlauf rollen wird, bevor er an seinem Ziel abbremst.
Nun, sie benutzen Fusionsreaktoren. Bei der Wasserstoff-Wasserstoff-Fusion werden 0,71 % des Brennstoffs in Energie umgewandelt (E=mc^2*0,0071) . Dies ist immer noch eine Menge Energie, da der c^2-Term vorhanden ist. Wie diese Energie genutzt wird, um Schub zu erzeugen, ist ein ungelöstes Problem, aber es scheint mir, dass ein Schiff mit ein paar Tonnen Treibstoff jahrelang praktisch mit 1 g fahren könnte, bevor ihm der Treibstoff ausgeht. Dies hängt natürlich von der uns unbekannten Leistungsfähigkeit des Motors ab.
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