Das Problem ist, dass „fokussiert“ nicht wirklich „konzentriert“ bedeutet.

Jeder, der jemals mit einer Lupe gespielt hat, „weiß“, dass man das Licht der Sonne nehmen und es in einen unendlich konzentrierten Punkt verwandeln kann. Dies ist im Wesentlichen eine Variante, was Sie versuchen zu tun.

Das Problem hier sind zwei Dinge:

1. Der einzige Grund, warum Sie einen so kleinen Punkt erhalten können, ist, dass sich die Lupe im Vergleich zur Entfernung zur Lichtquelle sehr nahe am "Ziel" befindet.

2. Das ist eigentlich kein unendlich konzentrierter Punkt; es ist ein fokussiertes Bild der Sonne.

Das ist kein sehr kleiner Lichtpunkt, das ist ein Abbild der Sonne. ( Bildquelle )

Es stellt sich heraus, dass Sie Licht nicht sammeln und es in einen schmaleren Strahl lenken können, wenn Sie Ihr Lichtsammelgerät verlassen, als es war, als es hereinkam. Der Lichtstrahl wird immer mindestens so breit oder breiter sein. Um dies im Detail zu erklären, ist ein Universitätskurs in Optik erforderlich, aber kurz gesagt heißt das Prinzip The Conservation of Étendue , und wenn Sie wirklich harte Wissenschaft wollen, empfehle ich Ihnen, diesen Link zu lesen. Aber es ist viel zu fortgeschritten – und es wird niemandem dienen – um das hier vollständig zu zitieren.

Sie werden mir also verzeihen, wenn ich die Antwort ein wenig konzentriere. Oder besser gesagt: Konzentrieren Sie es. ;) Und wenn die folgende Antwort langweilig oder schwer verständlich erscheint, empfehle ich xkcd: what if #145 .

Wenn Sie eine Optik verwenden, um Licht von einer Lichtquelle zu bewegen und es an eine andere Stelle zu projizieren, können Sie das projizierte Licht am kleinsten machen, wenn Sie ein Bild der Lichtquelle erhalten, das perfekt fokussiert ist. „Fokus“ bedeutet in diesem Fall nicht „auf einen sehr kleinen Fleck konzentriert“, sondern bedeutet, dass Sie jedes Detail der Lichtquelle deutlich sehen können, weil es nicht unscharf ist. Einfache Regeln der Optik schreiben vor, dass Sie das projizierte Licht nicht kleiner machen können.

Die nächste Regel der Optik besagt, dass die perfekte Art, eine Lichtquelle an einen anderen Ort zu projizieren, die Lochblende "Linse" ist . Mit einer Lochblende erhalten Sie immer eine perfekt fokussierte Projektion, mit einer Lochblende erhalten Sie also immer die kleinste Projektion.

Die nächste Regel der Optik besagt, dass ein unendlich kleiner und perfekt flacher Spiegel wie eine Lochblende ist, nur dass er den zusätzlichen Vorteil hat, dass er das projizierte Bild in eine andere Richtung lenken kann.

Noch eine weitere Regel der Optik besagt, dass jede Linse – wie die Lupe oben oder im Fall der Frage: Ihr Sonnenstrahlgerät – angenähert werden kann, indem man annimmt, dass sie aus unendlich vielen unendlich kleinen Spiegeln besteht. Die Projektion von der Linse ist einfach all diese Bilder von den Spiegeln, die übereinander gelegt sind.

Jetzt kommt der Hammer:

Die Größe eines perfekt fokussierten Bildes mit einer Lochblende ist proportional zum Original, genauso wie der Abstand zwischen Objektiv und Bild und Objektiv und Lichtquelle zueinander proportional sind.

Wenn Sie die Größe des Bildes durch die Größe des Originals teilen, erhalten Sie ein Verhältnis ... sagen wir 1 zu 10, das Bild ist 10-mal kleiner.

Dieses Verhältnis ist dasselbe wie zwischen dem Abstand vom Loch zum Bild und dem Abstand vom Loch zum Original. Wenn die Kamera also 1 Meter tief ist, beträgt die Entfernung zum Baum 10 Meter.

Für Ihr Projekt bedeutet dies, dass diese Ihre „Linse“ – und ich sage es noch einmal: alle Linsen, Optiken und ähnliche Geräte können durch unendlich viele Spiegel angenähert werden, die wiederum wie Lochblenden sind – näher an Titan sein muss als an Die Sonne. Andernfalls ist das projizierte Bild der Sonne auf Titan größer als die Sonne selbst und daher schwächer in der Intensität; Sie gewinnen so gut wie nichts, es macht keine Chancen.

Angenommen, Sie möchten, dass Ihr Fokussiergerät kein Sonnenlicht verschwendet, indem es es außerhalb von Titan fallen lässt, muss das Bild der Sonne kleiner als Titan selbst sein. Und da das Verhältnis zwischen der Größe der Sonne und der Größe von Titan etwa 279 : 1 beträgt, macht es keinen Sinn, dieses Schema von Ihnen zu verwenden, bis Sie Ihr Konzentrationsgerät so nahe an Titan gebracht haben, dass die Entfernung von diesem Gerät zu Titan, geteilt durch die Entfernung des Geräts zur Sonne, ist 1 zu 279 ...

... dh Sie sind sowieso fast am Ziel.

Sie könnten dann genauso gut Ihre Reflektoren in eine Umlaufbahn um Titan bringen und dort das Sonnenlicht ernten. Dies bedeutet auch, dass Sie es nicht über ganz Titan verteilen müssen, sondern es an Stellen von größerer Bedeutung platzieren können.

Es gibt vibrationsbasierte Mindestgrößenbeschränkungen

Zusammenfassung: Wenn Sie entweder einen Laser oder einen anderen Fokussiermechanismus verwenden, gibt es eine Mindestgröße für ein solches Gerät, unterhalb dessen es aufgrund von Vibrationen nicht in der Lage sein wird, seine Energie auf große Entfernungen genau abzugeben.

Behauptung: Ein auf der ISS montierter Laser konnte aufgrund der Vibration der ISS ein Objekt von der Größe von Titan in der Entfernung von den Vulkanoiden zum Saturn nicht genau treffen.

Vibrationsmessungen

Für die Internationale Raumstation können wir die geschätzte Schwingung aus Abbildung 1 dieses Dokuments entnehmen . Die Schwingung wird als Frequenz in Hertz gegen die Beschleunigung in quadratischen Mikro-g-Werten dargestellt.

Schwingungen lassen sich mit einfacher Federdynamik modellieren, so dass die Position einer sich sinusförmig bewegenden Feder gegeben ist

Diese Schwingung auf Titan projizieren

Mit einfacher Trigonometrie (im Grunde rechtwinklige Dreiecke) können wir die Auswirkungen dieser Vibration auf ein entferntes Ziel bestimmen. Wenn ein Laserpointer der Länge$l$vibrierten mit 4 mm und waren auf ein Objekt mit einem Radius gerichtet$r$in einer Entfernung von$d$weg, Vibrationen würden dazu führen, dass das Objekt vollständig verfehlt wird, wenn

Da wir es mit Titan zu tun haben, können wir den Radius von Titan als verwenden$r = 2576000 \text{ m}$und die Entfernung zwischen den Vulkanoiden und Titan, ungefähr$d = 1.346e12\text{ m}$(maximal etwa 10 % mehr). Einstecken$r$Und$d$Mit unseren gegebenen 4 mm Vibration stellen wir fest, dass unser Laserpointer ungefähr 2 km lang sein muss, damit die Amplitude der Vibrationen kleiner ist als der Radius unseres Ziels.

Alternativ können wir sagen, dass, wenn der Fokus 100 m lang wäre, ungefähr die Länge der ISS, die maximal zulässige Schwingungsamplitude in der ISS 0,2 mm betragen würde. So oder so ist klar, dass die ISS zu klein ist und zu stark vibriert, um Titan in 9 AE Entfernung zuverlässig zu treffen.

Mildernde Umstände

Da die Frage, was der eigentliche Mechanismus der Leistungsabgabe über diese große Entfernung ist, offen bleibt, beantworten diese Vibrationsgrenzen die Frage, "was sind die Hauptprobleme".

Der erste und offensichtlichste mildernde Faktor besteht darin, den Fokussiermechanismus einfach sehr groß zu machen. Wenn der Fokussiermechanismus in einen der vulkanoiden Asteroiden eingebaut wäre, würde das sehr helfen.

Der zweite offensichtliche mildernde Faktor besteht darin, vibrationsdämpfende Halterungen für alle schweren Geräte in der Station zu schaffen. Moderne Industrieanlagen sind so eingestellt, dass sie bemerkenswert vibrationsfrei sind: Das Schiffsgasturbinentriebwerk LM2500 von GE gibt bei einer Vibrationsamplitude von 0,1 mm Alarm; Wartsilas Schiffsdiesel W20 (20 Zylinder) erzeugt während des normalen Betriebs etwa 0,25 mm Vibration am Block.

Dennoch ist selbst bei sehr geringen Vibrationspegeln die Ungenauigkeit des Strahls bei einer solchen Entfernung bemerkenswert. Wenn die Vibrationsprojektion auf das Ziel einen erheblichen Prozentsatz des Radius des Ziels ausmacht, ist das Abgabesystem möglicherweise nicht für die Zwecke desjenigen geeignet, der für die Abgabe dieser Energie bezahlt.

Auf diese Weise geliefertes Sonnenlicht wäre zum Beispiel für das Pflanzenwachstum nicht sehr nützlich. Laser, die auf ein Kraftwerk auf Titan gerichtet sind, würden auch nicht viel nützen. Das Ausmaß des Vibrationsproblems hängt stark von der Verwendung der gelieferten Energie ab.

Es gibt ein ziemlich brutales Mittel, um diese Ziele zu erreichen, und Sie können ein wenig mit der Hand winken, um zu sagen, dass Robinson Teile dieses Geräts beschreibt.

Was Sie wollen, ist ein künstlicher Laserstern . Unter Verwendung des ionisierten Plasmas der solaren Photosphäre als Lasermedium ist es möglich, Laserstrahler mit immenser Leistung und Strahlenergie zum Saturn (oder sogar bis weit in die Oortsche Wolke hinaus) zu bauen. Tatsächlich könnte so etwas verwendet werden, um mit Laserlichtsegeln angetriebene Raumschiffe zu starten, ähnlich wie es Robert L. Forward vorgeschlagen hat.

Eine Version des künstlichen Lasersterns besteht aus einer Reihe von Spiegeln, die die Sonne umkreisen. Ein Laser wird in den Zug geschossen und prallt in einem Ring zwischen den Spiegeln um die Sonne. Wenn der Ring das ionisierte Plasma der Photosphäre passiert, tritt eine Besetzungsinversion auf und mehr Laserlicht wird erzeugt, wobei der Ring als "Hohlraum" des Lasers und die Spiegel als Resonanzspiegel wirken. Wenn der Strahl die entsprechende Leistung hat, wird einer oder mehrere der Spiegel "halb versilbert" (wahrscheinlich durch Manipulieren des Reflexionsindex des Materials) und der Strahl wird in den Weltraum emittiert.

Das größte Problem hier ist jetzt nicht, den Strahl zu erzeugen oder "Vulcanoids" als Halterungen für die Spiegel und Steuergeräte zu verwenden, sondern eher, wie man einen kontinuierlichen Strahl auf Saturn (oder genauer gesagt Titan) richtet. Um dies zu tun und zu verhindern, dass Raumschiffe und Planeten verbrannt werden, die den Strahlengang passieren könnten, sollte der Strahl über der Ebene der Ekliptik und an einem oder mehreren Spiegeln in hochelliptischen Umlaufbahnen um die Sonne emittiert werden. Diese Spiegel lenken den Strahl dann zurück zu einer anderen Reihe von Spiegeln (wahrscheinlich in einer polaren Umlaufbahn um Saturn), die den Strahl dann auf Titan richten. Falls gewünscht, könnten Fresnel-Linsen oder Beugungsgitter als Ersatz für Spiegel verwendet werden.

Der andere Vorteil dieses Systems besteht darin, dass der Strahl tatsächlich divergieren kann, da er durch die Relaisspiegel oder Linsen zwischen Sonne und Saturn neu fokussiert werden kann.

Licht auf diese Weise zu fokussieren ist nicht wirklich die Art und Weise, wie Licht funktioniert, wie die nette Antwort von MichaelK beschreibt. Das einfache Fokussieren des Sonnenlichts ist jedoch sowieso eine Art naive Sache. Die Herstellung riesiger Spiegel oder insbesondere Linsen ist schwierig, und sichtbares Licht leidet unter einigen beugungsbedingten Problemen. Somit:

Die technischen und physikalischen Probleme werden stark reduziert, wenn Sie, falls Sie etwas "beamen" möchten, den Strahl selbst herstellen.

Insbesondere schlage ich vor, Energie zu sammeln und sie dann zum Pumpen eines Hochfrequenzlasers zu verwenden. Dies kann mit Sonnenkollektoren (im Orbit oder auf einem Asteroiden (den Sie an seinen Platz bringen müssten)) erfolgen. In der Nähe der Sonne können Paneele mehr Energie aufnehmen, aber Wärme ist ein großes Problem. Vielleicht würde ein Thermoelement zB von der Merkuroberfläche ins Innere besser funktionieren.

Auf der Titan-Seite schöpfen Sie die meiste Energie des Lasers und verwenden sie. Ein IR-Laser wäre einfacher zu erzeugen, aber ein Gammastrahlen-Laser trägt mehr Energie und hätte auch weniger Beugung. Da Titan eine dicke Atmosphäre hat, können glücklicherweise Vakuumfrequenzlaser verwendet werden, um die Atmosphäre direkt zu erwärmen.

Aber die ganze Idee einer interplanetaren Strahlkraft ist insgesamt irgendwie unpraktisch. In 300 Jahren haben wir optimistisch eine Fusion, und Saturn ist eine reiche Quelle schmelzbarer Isotope mit einem relativ flachen Gravitationsschacht.

Da Titan fast buchstäblich aus Raketentreibstoff besteht, könnte es einfacher sein, ihn in eine nähere Sonnenumlaufbahn zu jagen (Sauerstoffverbindungen aus den Felsen zu katalysieren).

Schließlich, wenn Sie sich nicht für harte Wissenschaft interessieren , können Sie dumme Spiele spielen, wie das Öffnen eines Wurmlochs aus einer Umlaufbahn mit niedriger Sonneneinstrahlung in eine Umlaufbahn mit hoher Titan.

Licht wird bereits von der Sonne zum Saturn gestrahlt, aber damit es andere Folgen als die üblichen hat (etwas Licht und Wärme), müsste man ein einzelnes Mitglied aus dem Lichtspektrum heraustrennen. Im Wesentlichen rede ich von einem Laser. Leider kann ein gebündelter Lichtstrahl der Sonne kein Hindernis darstellen. Glücklicherweise ist der Weltraum meistens eine leere Leere und dies ist unwahrscheinlich. Im Falle eines Mondes, der Saturn umkreist, ist es jedoch wahrscheinlich, dass der Mond die meiste Zeit von seinem Wirt verfinstert wird. Das ist ein riesiges Problem. Ein weiteres Problem ist, dass es unglaublich schwierig ist, Licht über eine so große Entfernung zu fokussieren, da sich Licht über die Entfernung verteilt. Meine einzige moderne Lösung wäre im Wesentlichen ein extrem langes Glasfaserkabel. Schließlich wird es einen sehr kleinen Unterschied in der Heizwirkung des gesamten Mondes geben, aber stattdessen in einem sehr kleinen einzelnen Punkt. Ich hoffe das hilft.