Würde die künstliche Schwerkraft eines Raumfahrzeugs ihm eine Atmosphäre verleihen?

Ja, es könnte.

Wenn Ihre Schwerkraft 1 g um ein „Schwerkraftzentrum“ beträgt, ist Ihr Schiff vermutlich eine Kugel, sodass Ihre Besatzung und Ihre Passagiere mit 1 g zu Ihrem „Zentrum“ gezogen werden. Könnte Ihr Raumschiff tatsächlich ein Planet sein ?

Wenn es physisch kleiner als ein Planet ist, dann bestimmt der Radius, wie viel „künstliche Schwerkraft“ Sie brauchen, oder doch? Ein ultradichtes Material würde ein Gravitationsfeld mit einem „Zentrum“ erzeugen, und vielleicht würde ein kleines schwarzes Loch auch das erreichen, was Sie suchen. Dies sind bekannte Konzepte, erfordern also nicht unbedingt, dass Ihre „künstliche Schwerkraft“ existiert.

Angenommen, Ihr Schiff hat einen Radius von 50 m, die Masse Ihres "Schwerkraftzentrums". Unter Verwendung der Newton-Gleichung muss Ihr Zentrum eine Masse von 367 x 10 ^ 12 kg haben, damit eine 70 kg schwere Person einen Zug von 1 g spürt (nennen wir es). Deck 01.

Natürlich würde dies auch eine „Atmosphäre“ bilden, da es alle schwebenden Partikel um sich herum zu sich zieht, und der Abfall wäre ähnlich dem des Planeten Erde, da die Abfallrate eine einfache Beziehung zum Radius ist. In jeder Hinsicht handelt es sich also um eine „Mini-Erde“. Denken Sie jedoch daran, dass der Druck nicht vorhanden ist, es sei denn, Sie möchten dies, und Sie könnten eine Mini-Erde mit kaum Atmosphäre (wie Quecksilber oder Mars) haben.

Das Bewegen Ihres Raumschiffs ist jedoch eine Variable, die Sie berücksichtigen müssen. Wenn Ihr Schiff plötzlich auf eine neue Geschwindigkeit beschleunigt, ist es leicht vorstellbar, dass Ihre Atmosphäre je nach Geschwindigkeit nicht so mit dem Schiff mitkommt, wie Sie es sich wünschen würden . Dies wirkt sich auch auf Ihre Passagiere und Besatzung aus - Ihr Schiff ist möglicherweise nicht so nützlich wie ursprünglich angenommen .

Wenn Sie Ihr Schiff durch ein typisches Sonnensystem bewegen, wirkt sich dies auch auf die Umlaufbahnen anderer Planeten aus - stellen Sie sich vor, Sie hätten alle Auswirkungen der Bewegung der Erde, aber nur eine, die eine geringe physische Größe hat. Es könnte ziemlich störend sein.

Nein. Das Problem ist, dass das Festhalten an der Atmosphäre nicht vom Gravitationsfeld abhängt, sondern von der Fluchtgeschwindigkeit.

In einer normalen Planetensituation hängen Fluchtgeschwindigkeit und Schwerkraft zusammen - ein Planet mit erdnormaler Schwerkraft hat kein Problem damit, eine Atmosphäre zu halten, es sei denn, er röstet.

In solchen Situationen wird die Beziehung jedoch abgebrochen. Ihr Schiff hat 1 g an der Oberfläche, aber die Schwerkraft fällt viel schneller ab als auf der Erde - die Atmosphäre verschwindet schnell.

Wenn ich nicht irgendwo eine Null fallen gelassen habe: 100 m Radius mit 1 g an der Oberfläche hat eine Fluchtgeschwindigkeit von 140 m / s. Ups – das durchschnittliche Teilchen (alle wichtigen haben eine ziemlich ähnliche Masse) in der Erdatmosphäre bewegt sich mit 500 m/s. Ihre Atmosphäre verschwindet fast augenblicklich.

Größe und Gewicht des Schiffes

Die folgende Antwort geht davon aus, dass sich die künstliche Schwerkraft wie eine Punktmasse im Weltraum verhält und die menschlichen Bewohner des kugelförmigen Schiffes, die sich auf der Oberfläche aufhalten, mit angenehmer erdähnlicher Schwerkraft aufrecht bleiben. Es wird auch davon ausgegangen, dass das Schiff ziemlich groß ist, dh einen Durchmesser von mehreren hundert Metern hat. Dies soll Schwindel und Gleichgewichtsstörungen für Menschen verhindern, wenn sie auf dem Schiff herumlaufen.

Angenommen, das Schiff ist kugelförmig, dann ist seine Oberfläche proportional zu R zum Quadrat, so wie die Schwerkraft proportional zu R zum Quadrat ist. Wenn Sie also den Durchmesser des Schiffs kennen, kann eine einfache lineare Skalierung verwendet werden. Das Gewicht des Schiffes wäre die Erdmasse multipliziert mit den geteilten Oberflächen.

Rechenbeispiel: Nimm Erdmasse 6e24 kg mal Schiffsoberfläche in m² geteilt durch Erdoberfläche 5.1e14 m² . Wenn Ihr Schiff einen Durchmesser von 400 Metern hat, beträgt sein Radius 200 Meter. Die Schiffsoberfläche wird es sein

4π * 200 m * 200 m = 502,654 m²

Das Gewicht des Schiffes ist das Verhältnis Erdmasse mal Oberfläche,

mSchiff = 6e24 * 502.654 m²/ 5.1e14 m² = 6.0e15 kg

In 200 m Entfernung vom Zentrum dieser Masse werden die Schiffsbewohner die Schwerkraft der Erde spüren. Ein außenstehender Beobachter wird die Anziehungskraft ebenfalls spüren. Diese Menge von 6e15 kg scheint viel zu sein, aber es ist ungefähr die gleiche Masse des Asteroiden, der die Dinosaurier tötete ( 6.82e15 kg ). Das Schiff als Objekt wird also nichts weit im Weltraum relevant beeinflussen.

Atmosphäre

Alles in einer Entfernung von etwa 200 m wird die gleiche Schwerkraft spüren wie Menschen auf der Erde. Wenn also Gase freigesetzt werden, bleiben sie so leicht in der Nähe der Oberfläche, wie es auf der Erde der Fall wäre. Es wird jedoch keine dichte Atmosphäre sein. Je näher der Schwerpunkt liegt, desto steiler ist der Gradient des Gravitationsabfalls in der Nähe dieser 200 Meter. Aber angenommen, die Atmosphäre hätte eine Dicke von etwa 1000 Metern, das habe ich nicht berechnet, aber es könnte ausreichen, um einzuatmen und ein Ökosystem am Leben zu erhalten. Das Schiff wird auch Staub und Partikel in der Nähe und in der Nähe von Asteroiden anziehen.

Aber.. wie reist man?

So weit so gut, etwas Staub kann nicht schaden. Das Problem ist nur, wie man so ein Schiff bewegt ? die benötigte Energie wäre enorm.

Erinnere dich an Oumuamua

^{Darrel S Rivers 2021, über technostalls.com, faire Nutzung.}

Nun, die bescheidene Köcherfliegenlarve hat einen raffinierten Trick, um sich vor hungrigen Libellenlarven und Fischen zu verstecken:

^{Joyce Gross 2021 faire Nutzung.}

Natürlich ist der Schlauch an beiden Enden offen, um am Schwanzende Nahrung und Atmung zu ermöglichen. Ich denke, Ihr Schiff sollte in der Lage sein, zu navigieren und sich gleichermaßen anzutreiben.

Wie in den Kommentaren erwähnt, nimmt die Schwerkraft entsprechend dem Kehrwert des Quadrats der Entfernung ab, was bedeutet - nun, es hängt davon ab, wie Ihr Schwerkraftsystem funktioniert.

Wenn Sie den Effekt eines Kokons wünschen, können Sie einfach sagen, dass es sich um Resteffekte von "Schwerkraftlecks" um den Rumpf handelt. Der Effekt könnte ziemlich schwach sein. Dies würde natürlich bedeuten, dass zum Festhalten der Tarnung keine plötzlichen Manöver oder starken Beschleunigungen versucht werden dürfen. Wenn der Effekt beabsichtigt und unter Kontrolle ist, hängt seine Stärke von dem ab, was die Besatzung ertragen kann.

Es könnte auch den Vorteil haben, das Schiff vor Meteoritenschauern , Trümmerfeldern, die durchquert werden müssen, und koronalen Massenauswürfen zu schützen, die sonst schwerwiegende Probleme verursachen könnten (im letzteren Fall wäre es immer noch ratsam, die gesamte Elektrik auszuschalten. bis es vorbei ist).

In Bezug auf eine Atmosphäre müssten Sie die Feldstärke hochschrauben (auf tödliche Werte), um etwas mit einem Dampfdruck festzuhalten . Eine Lösung könnte darin bestehen, eine Wolke aus Wassermikrotröpfchen freizusetzen. Es würde Ihnen nichts Atmungsfähiges geben, aber es würde Sie wie einen Kometen aussehen lassen, dessen Nebel in einer Spur vom nächsten Stern weggeblasen wird.

Laut Habitable Planets for Man , Stephen H. Dole, 1964, benötigt ein Planet eine Fluchtgeschwindigkeit, die mehrmals so groß ist wie die Durchschnittsgeschwindigkeit atmosphärischer Partikel, um sie für geologische Zeiträume zurückzuhalten.

https://www.rand.org/content/dam/rand/pubs/commercial_books/2007/RAND_CB179-1.pdf

Gemäß Tabelle 5 auf Seite Seite 35 hängt die Fähigkeit, atmosphärische Gase zurückzuhalten, vom Verhältnis der Austrittsgeschwindigkeit zum quadratischen Mittelwert der Geschwindigkeit der atmosphärischen Gaspartikel ab.

Wo das Verhältnis 1 ist, ist die Lebensdauer der Atmosphäre null. Wo das Verhältnis 2 ist, ist die Lebensdauer null. Bei einem Verhältnis von 3 beträgt die Lebensdauer einige Wochen. Bei einem Verhältnis von 4 beträgt die Lebensdauer der Atmosphäre mehrere tausend Jahre. Bei einem Verhältnis von 5 beträgt die Lebensdauer der Atmosphäre etwa hundert Millionen Jahre. Bei einem Verhältnis von 6 ist die Lebensdauer der Atmosphäre unendlich.

Natürlich funktioniert Ihr Raumschiff möglicherweise nicht für geologische Zeiträume, sodass ein Verhältnis von 3 oder 4 für die Dauer der Geschichte ausreichen könnte.

Beachten Sie, dass das Verhältnis das Verhältnis der Fluchtgeschwindigkeit und nicht der Oberflächengravitation zum quadratischen Mittelwert der Geschwindigkeit atmosphärischer Partikel ist.

Der Planet Erde hat eine Oberflächengravitation von 9,80665 Metern pro Sekunde pro Sekunde oder 1 g und eine Fluchtgeschwindigkeit von 11,186 Kilometern pro Sekunde.

Der Planet Jupiter hat eine Oberflächengravitation von 24,79 Metern pro Sekunde pro Sekunde, 2,527 der Erde, und eine Fluchtgeschwindigkeit von 59,5 Kilometern pro Sekunde, 5,319 der Erde.

Der Mond Io hat eine Oberflächengravitation von 1,796 Metern pro Sekunde pro Sekunde, 0,183 der Erde, und eine Fluchtgeschwindigkeit von 2,558 Kilometern pro Sekunde, 0,228 der Erde.

Der Mond Europa hat eine Oberflächengravitation von 1,314 Metern pro Sekunde pro Sekunde, 0,134 der Erde, und eine Fluchtgeschwindigkeit von 2,025 Kilometern pro Sekunde, 0,181 der Erde.

Der Mond Ganymed hat eine Oberflächengravitation von 1,428 Metern pro Sekunde pro Sekunde, 0,146 der Erde, und eine Fluchtgeschwindigkeit von 2,741 Kilometern pro Sekunde, 0,245 der Erde.

Der Mond Callisto hat eine Oberflächengravitation von 1,235 Metern pro Sekunde pro Sekunde, 0,126 der Erde, und eine Fluchtgeschwindigkeit von 2,440 Kilometern pro Sekunde, 0,218 der Erde.

Vergleichen Sie das Verhältnis der Oberflächengravitation jedes Objekts mit der der Erde und das Verhältnis der Fluchtgeschwindigkeit jedes Objekts mit der der Erde. Diese beiden Verhältnisse sind für keines dieser fünf Objekte gleich.

Die Oberflächengravitation und die Fluchtgeschwindigkeit sind zwei verschiedene Dinge und es gibt verschiedene Formeln, um sie zu berechnen.

https://en.wikipedia.org/wiki/Surface_gravity

https://en.wikipedia.org/wiki/Escape_velocity

Um also eine Atmosphäre außerhalb des Raumschiffs zu bilden, braucht es einen künstlichen Fluchtgeschwindigkeitsgenerator anstelle eines künstlichen Gravitationsgenerators.

Glücklicherweise liegt es nahe, dass ein künstlicher Gravitationsgenerator als Nebeneffekt die ansonsten unbedeutende Fluchtgeschwindigkeit des Raumschiffs enorm erhöhen würde.

Wenn Sie die Masse berechnen, die ein kugelförmiges Objekt mit dem Radius Ihres Raumschiffs haben müsste, um an seiner Oberfläche eine Oberflächengravitation von 1 g zu haben, können Sie davon ausgehen, dass Ihre superwissenschaftliche Gravitationserzeugung irgendwie den Effekt simuliert, so viel Masse an der Oberfläche zu haben Zentrum Ihres kugelförmigen Raumschiffs.

Und diese Menge an simulierter Masse sollte vermutlich verwendet werden, um die Fluchtgeschwindigkeit in verschiedenen Abständen vom Zentrum Ihres vermutlich kugelförmigen Raumschiffs zu berechnen. Und so sollten Sie in der Lage sein, die Fluchtgeschwindigkeit an der Oberfläche Ihres Raumschiffs und beim doppelten Radius Ihres Raumschiffs und beim vierfachen Radius Ihres Raumschiffs und so weiter zu berechnen.

Und die Stärke der Fluchtgeschwindigkeit, die als Nebeneffekt Ihrer erzeugten Schwerkraft erzeugt wird, sollte schnell mit einem Vielfachen des Radius Ihres vermutlich kugelförmigen Raumschiffs abfallen. Es sei denn, es handelt sich um ein überdimensionales Raumschiff wie den Todesstern oder die Skylark of Valeron .

Wann immer also ein Teil der Atmosphäre mehr als ein paar Meter oder Kilometer von der Oberfläche Ihres Raumschiffs entfernt ist - je nach Größe des Raumschiffs - sollte es sich mehrmals so schnell wie die Fluchtgeschwindigkeit in dieser Entfernung bewegen und sehr schnell entweichen .

Ich stelle auch fest, dass der Sonnenwind sich schnell bewegende Partikel enthält, die auf die oberen Atmosphären astronomischer Körper treffen und atmosphärische Partikel von den Planeten wegstoßen, wodurch ihre Atmosphären allmählich erodieren. Starke planetare Magnetfelder lenken diese geladenen Teilchen von der Atmosphäre weg und schützen sie vor diesem Prozess.

Wenn Ihr Raumschiff also lange Zeit Atmosphäre behält, sollte es aus irgendeinem Grund ein starkes Magnetfeld erzeugen, das auch die Atmosphäre um das Raumschiff herum schützt. Möglicherweise würde das Magnetfeld verwendet, um geladene Teilchen abzulenken und sie daran zu hindern, in den Schiffsrumpf einzudringen und die Besatzung zu verletzen.

Oder das Raumschiff könnte immer weit genug vom nächsten Stern entfernt operieren, dass der Sonnenwind die äußere Atmosphäre des Raumschiffs ohnehin viel langsamer erschöpfen würde, als Partikel daraus entweichen, und ist daher kein wesentlicher Faktor für den atmosphärischen Verlust.

Wie also würde eine solche Atmosphäre erzeugt werden? Wenn der Schiffsrumpf leckt, können die austretenden atmosphärischen Gase durch die erzeugte Schwerkraft in der äußeren Atmosphäre eingeschlossen werden. Es wäre ein schlecht konstruiertes Raumschiff, das schnell genug Luft entweichen ließ, um draußen eine atembare Atmosphäre zu bilden.

Und ich bezweifle, dass ein Raumschiff, das so weit fortgeschritten ist, dass es Schwerkraft erzeugt hat, Raketen verwenden würde, mit Ausnahme von sehr fortschrittlichen und mächtigen Raketen.

Eine starke Rakete würde auf zwei Arten funktionieren. Entweder:

A) Viele Partikel bei eher langsamen Geschwindigkeiten ausstoßen. Aber diese ziemlich langsamen Geschwindigkeiten könnten mehrmals so hoch sein wie die Fluchtgeschwindigkeit, die sich aus der erzeugten Schwerkraft ergibt. Ich denke, dass sie Materie schneller als die Fluchtgeschwindigkeit ausstoßen müssten, um das Raumschiff zu bewegen, während die erzeugte Schwerkraft eingeschaltet war. Daher könnten solche Raketen keine Außenatmosphäre für das Raumschiff erzeugen.

Oder:

B) Eine kleine Menge Partikel mit sehr hoher Geschwindigkeit ausstoßen, wie bei Ionenmotoren. Diese Teilchen würden sich sicherlich um ein Vielfaches der Fluchtgeschwindigkeit fortbewegen und würden sicherlich alle entkommen. Und solch kleine Partikelmengen würden sich sicher nicht ansammeln, um eine wahrnehmbare Atmosphäre um das Raumschiff herum zu erzeugen.

In der Star Trek- Folge "Obsession", 15. Dezember 1967:

SCOTT: Captain, während wir warten, habe ich mir die Freiheit genommen, die radioaktive Entsorgungsöffnung am Impulstriebwerk Nummer zwei zu reinigen, aber wir werden bereit sein, den Orbit in weniger als einer halben Stunde zu verlassen.

Und:

KIRK: Scotty, versuchen Sie, den radioaktiven Abfall in das Lüftungssystem zu spülen. Sehen Sie, welche Wirkung das hat.

Möglicherweise produziert Ihr Schiff radioaktive Abfälle und entlüftet sie, wodurch eine radioaktive Atmosphäre entsteht.

Die Dichte des interplanetaren Mediums, ganz zu schweigen vom interstellaren Medium, ist so unglaublich, unvorstellbar dünn, dass das Raumschiff wahrscheinlich seinen künstlichen Gravitationsgenerator für geologische Zeitalter eingeschaltet haben müsste, um eine Atmosphäre zu sammeln.

Möglicherweise führt Ihre Crew aus verschiedenen Gründen viele EVAs (Extra Vehicular Activities) durch und setzt jedes Mal, wenn jemand ein- und aussteigt, eine Luftschleuse voller atembarer Atmosphäre frei, und die Erhaltung der Schiffsatmosphäre wird nicht als wichtig angesehen, da sie viel zusätzliche Luft enthält aus irgendeinem Grund gespeichert.

Tatsächlich wären die Ebenen der künstlichen Schwerkraft im Inneren des Rumpfes auf dem vermutlich kugelförmigen Deck direkt im Rumpf am leichtesten und stärker und stärker näher am künstlichen Schwerkraftgenerator in der Mitte. Es könnte also Frachträume in der Nähe des Zentrums geben, die riesige Mengen an Materie enthalten, die durch die intensive künstliche Schwerkraft im Inneren komprimiert wird. Und möglicherweise könnte diese komprimierte Materie Luft für die Marskolonien oder sonstwo sein, und sie haben keine Angst, dass ihnen die Luft ausgeht.

Wenn es sich um ein Passagierschiff handelt, könnten EVAs in Raumanzügen eine übliche Aktivität für die Passagiere sein. Das Schiff könnte also möglicherweise eine atembare Atmosphäre um sich herum bilden, abhängig von vielen Faktoren.

Und vielleicht weiß der Kapitän nach einer langen Reise mit vielen EVAs, dass rund um das Schiff eine atembare Atmosphäre herrscht. Und als die lange Reise fast zu Ende ist, führen Spannungen dazu, dass die Besatzung fordert, dass jemand hingerichtet wird. Und der Kapitän weigert sich und sagt, dass die Todesstrafe verboten ist und sie alle wegen Mordes verurteilt und lebenslang ins Gefängnis gehen werden, und die Besatzung droht, die Person trotzdem zu lynchen. Also willigt der Kapitän ein, die Person hinzurichten, indem er die Luftschleuse ohne Raumanzug "beabstandet".

Und wenn der Kapitän allein auf Wache ist, schleicht er sich aus einer Luftschleuse und bringt die beabstandete Person zurück ins Schiff und versteckt sie an einem sicheren Ort, bis das Schiff sein Ziel erreicht und die Justizbehörden die Kontrolle übernehmen können.