Der Kolonist - Teil I: Konstruktion

Zunächst einmal: Fahrgastraum.

(TL;DR: Der Passagierraum müsste ziemlich groß sein, aber wir können Ecken schneiden und ihn auf Star Wars-Größe bringen.)

Wenn Sie verhindern wollen, dass die etwa 100 Passagiere auf dem Schiff klaustrophobisch und schließlich wahnsinnig werden, müssen Sie jedem Passagier ausreichend Platz bieten, insbesondere wenn einige von ihnen zusammenleben. 10 x 10 m könnten ein guter Anfang sein, da Sie höchstwahrscheinlich jedes grundlegende Hausgerät in diesem Bereich unterbringen könnten. Das bedeutet aber bereits, dass das Schiff allein für den Passagierraum mindestens 1000 x 1000 m groß sein müsste .

Sie könnten den Passagieren also stattdessen eine Art „Klassensystem“ anbieten, bei dem diejenigen, die mehr zahlen, größere Zimmer bekommen. Nehmen wir an, wer sich für kleinere Räume entscheidet, bekommt eine Fläche von 6,5 x 6,5 Metern. Wir werden auch sagen, dass von den 100 Zimmern 35 die großen sind. Dadurch verringert sich die Gesamtgröße des Schiffes für den Passagierraum auf mindestens 772,5 x 772,5 m.

Wenn man bedenkt, dass ein so riesiger Bereich nur Passagierraum ist, ist er vielleicht nicht besonders attraktiv, aber zumindest werden alle Passagiere eine schöne Zeit haben.

(Als Referenz, das ist ungefähr die gleiche Länge wie ein Landungsschiff der Acclamator-Klasse in Star Wars.)

Sauerstoff

(TL;DR: Der Sauerstoffspeicher müsste, wenn er in einem Raum konzentriert wäre, fast so groß sein wie der Äquatorialradius von Ceres. Stattdessen entscheiden wir uns für ein Lebenserhaltungssystem, das über das gesamte Schiffsdach verteilt ist, was viel spart Platz und erhöht die Schiffshöhe nur um wenige Meter.)

Sauerstoff kann ein Problem sein oder auch nicht. Da wir durchschnittlich rund 11.000 Liter Luft pro Tag einatmen, würden alle 100 Menschen an Bord in nur 100 Jahren etwa 401.766.420 Liter Luft verbrauchen. Das sind etwa 401.766,4 m³ . Nehmen wir an, jeder hat persönliche Sauerstoffsysteme, die nicht viel Platz einnehmen, und wir können daher etwa 40-50 % des Sauerstoffraums abziehen. Wir bräuchten noch 220.972 m³ Sauerstoffraum.

Als letzten Vorbehalt, um diesen lächerlichen erforderlichen Platz zu reduzieren, nehmen wir an, wir haben eine Legierung aus Wolfram und Eisen oder so etwas erfunden. Die Legierung ist extrem widerstandsfähig gegen Lecks und daher können wir die 10 % zusätzlichen Sauerstoffs, den wir aufgenommen haben, entfernen (nur für den Fall). Das sind 198.875 m³. Das ist immer noch viel zu viel Platz.

Also werden wir stattdessen Lebenserhaltungssysteme in jedem einzelnen Raum haben, anstatt einen großen Sauerstofflagerraum zu haben, und da Raumstationen wie die ISS es entlang des Daches installiert haben, nimmt es viel weniger Platz ein, da es verteilt ist. Wir müssten wahrscheinlich nur 5 oder 6 Meter zum Schiffsdach hinzufügen. Wir sind jetzt bei 772,5 x 777,5 Metern.

Erde verlassen

(TL;DR: Dieser Abschnitt ist ziemlich kurz, also gibt es kein TL;DR.)

Während die Idee der Weltraumwerft vermutlich effizienter ist, bringt sie zusätzliche Gefahr mit sich, da die Kolonisten einen Transport zur Werft nehmen müssen. Die Transporter könnten abstürzen und explodieren. Versuchen wir also, einige Methoden anzuwenden, um es dazu zu bringen, die Erde von der Oberfläche zu verlassen.

- Eine riesige magnetische "Schleife" auf einer riesigen Landebahn, ähnlich dem System, das Flugzeugträger verwenden, aber für ein riesiges Raumschiff.

- Einfach das Schiff nach oben kippen und einige unglaublich starke Triebwerke daran anbringen. Dies ist möglicherweise nicht sehr effizient und kann mit hoher Wahrscheinlichkeit fehlschlagen.

- Eine Landebahn, die zu einer superstarken Startrampe führt. Mit dem Hinzufügen einiger mittelstarker Triebwerke könnte dies die Fluchtgeschwindigkeit erreichen.

Alle drei sind machbar, ebenso wie die Weltraumwerft. Ich sage, Sie sollten sich aussuchen, welche Sie einsetzen möchten. Das Problem ist, dass die Werft vielleicht ein bisschen zu futuristisch ist, da man die Werft irgendwie in eine stabile Umlaufbahn bringen müsste, und da kann ich nicht einmal anfangen.

Endabmessungen

Da wir also rund 700 Quadratmeter für den Fahrgastraum geopfert haben, müssen wir alles andere gering halten. Das Cockpit wird wahrscheinlich der größte aller zusätzlichen Räume sein, da eine große Besatzung erforderlich wäre, um ein Raumschiff dieser Größenordnung zu steuern. Wir sagen, 10 Leute bemannen es. Ein Cockpit von etwa 15 x 15 Metern könnte die Menschen, ihre Positionen und all die verrückten Maschinen bequem beherbergen.

Es sollte ein paar Küchen und wohnzimmerähnliche Orte geben, um einfache Snacks zuzubereiten und sich mit Freunden zu entspannen. Diese könnten sich an den Seiten des Schiffes befinden und würden wahrscheinlich etwa 16 x 16 Meter oder vielleicht etwas mehr einnehmen.

Da diese speziellen Räume alles sind, was wir wirklich brauchen, plus vielleicht einen Maschinenraum (wir geben dem ganzen Zeug 50 x 50 Meter und stellen es hinten rein), haben wir jetzt eine Größe von 853,5 x 858,5 Metern. Etwa.

Das entspricht in etwa einem Devore Imperium Warship aus Star Trek.

Als ein paar abschließende Anmerkungen würde ich die Kosten auf etwa 5.000.000.000.000 Dollar schätzen, was viel erscheint, aber tatsächlich machbar wäre, wenn die ganze Welt zusammenkommen würde.

Hoffe, dieser lächerlich lange Beitrag hat geholfen!

Das Hauptproblem bei Langzeit-Kolonieschiffen dieser Art ist die Masse an Vorräten und die Forderung nach praktisch 100% Recycling von allem. Dies ist mit der heutigen Technologie nicht möglich, aber wir wissen, dass Menschen eine bestimmte Menge an Nahrung, Sauerstoff und Wasser pro Tag benötigen, und versuchen dann, die Maschinerie oder den Mechanismus zu entdecken, aus dem das CLSS (Closed Life Support System) besteht. Ihr Schiff wird dann so skaliert, dass es diese Menge an Masse tragen kann, plus alle "Ersatz"-Materialien, die Sie Ihrer Meinung nach benötigen (Rohstoffe, um das System "aufzufüllen", Ersatzteile, um das System in Reparatur zu halten usw.

Dies ist ein NASA-Dokument, das Ihnen eine Vorstellung von der Größenordnung der benötigten Massen geben soll: https://ntrs.nasa.gov/archive/nasa/casi.ntrs.nasa.gov/19670025254.pdf

Und dies ist eine modernere Iteration: https://ttu-ir.tdl.org/bitstream/handle/2346/73083/ICES_2017_311.pdf?sequence=1&isAllowed=y

Das nächste Thema ist der Strahlenschutz. Jedes Raumschiff, das in den Weltraum fliegt, muss die Besatzung vor kosmischer Strahlung und anderen Ereignissen schützen, daher ist eine enorme Abschirmung erforderlich. Das " Millenial Project " (mein Lieblingsbuch zu diesen Themen) schlägt vor, dass ein Wasserschild von 5 m Tiefe benötigt wird. Eine entsprechende Menge Gestein oder Metall ist wahrscheinlich erforderlich, wenn Sie kein Wasser verwenden möchten. Die Masse des Raumfahrzeugs kann dann berechnet werden, indem die Form (dh ein Kegel oder eine Kugel) verwendet wird, um die Fläche zu berechnen und die Masse eines 5 m dicken Schildes aus Wasser oder Felsen, der es umgibt, zu berechnen.

Da wir jetzt ein Schiff haben, das die Größe und Masse eines Flugzeugträgers hat, wird herkömmliche Raketentechnologie nicht funktionieren. Das Problem ist, dass Sie die Masse des Schiffes plus die Masse des Kraftstoffs (einschließlich des Kraftstoffs, den Sie zum Abbremsen am anderen Ende verwenden werden) beschleunigen müssen, was bedeutet, dass Sie eine geometrische Ausdehnung der Masse als Sie betrachten Versuchen Sie, die Beschleunigung oder Geschwindigkeit des Schiffes zu erhöhen.

Der beste Weg, dies zu umgehen, besteht darin, eine Form von externer Energie zu verwenden, wie z. B. ein massives Sonnensegel (in dieser Größenordnung vielleicht eine Reihe von Sonnensegeln, die wie ein Haufen Drachen zusammengebunden sind). Sie könnten entweder nahe an der Sonne tauchen und das Lichtsegel entfalten oder massive Laserbänke verwenden, um das Segel anzutreiben.

Paradoxerweise besteht der Weg, um schnell aus dem Sonnensystem herauszukommen, darin, zuerst dafür zu sorgen, dass Ihre Sonden mit den Sonden nach vorne in Richtung Sonne tauchen, um den Strahlungsdruck zu minimieren. Drehen Sie sich dann am Perihel (am nächsten zur Sonne) fast mit dem Gesicht zu und schießen Sie los.

Wenn die größte Annäherung 1/10 eines Au beträgt, beträgt die Endgeschwindigkeit:

420 km/sek

Und wenn die Materialien (eine Art Unobtanium:)) einer Annäherung an 1/100 Au standhalten könnten, nur 1,5 Millionen km vom Zentrum der Sonne entfernt und daher nur 800.000 km über der brodelnden Oberfläche (!), die Endgeschwindigkeit von unsere interstellare Sonde wäre:

1330 km/sek

Aufmerksame Leser werden feststellen, dass sich die Endgeschwindigkeit unserer Sonnensonde ebenso wie die Fluchtgeschwindigkeit eines massiven Körpers umgekehrt zur Quadratwurzel des Anfangsabstands R vom Zentrum ändert.

https://www.quora.com/How-fast-could-a-theoretical-solar-sail-starship-get

Eigentlich könnte man das Schiff in diesem Maßstab nicht wirklich sehen. Sonnensegel müssen unvorstellbar groß sein

Sie sehen also ein sehr großes, sehr massives Schiff. Der Antrieb durch Eintauchen in die Sonne, um die maximale Menge an Sonnenenergie bereitzustellen, liefert die Geschwindigkeit, die erforderlich ist, um Alpha Centauri in etwa 1000 Jahren zu erreichen. Vermutlich wird die Besatzung zum Zeitpunkt der Ankunft ein "Eintauchen" in Alpha Centauri arrangieren, um die Energie bereitzustellen, um in die Sternumlaufbahn zu bremsen und dann das System zu erkunden.

Lage, Lage

Die Werft befindet sich im Asteriodengürtel oder in einer Sonnenumlaufbahn kurz hinter Neptun.

Warum?

• Im Asteriod-Gürtel gelegen, sind Ressourcen leicht zu beschaffen und Ressourcen werden in großen Mengen benötigt.
• Das gestartete Schiff befindet sich in einer hohen Sonnenumlaufbahn und wird die perfekte Startposition haben, um die großen Planetenkörper und die Sonne selbst zu nutzen, um eine erste schwerkraftunterstützte Schleuder durchzuführen. Darüber hinaus kann das Bewegen großer Massenmengen zur Werft "sicherer" erfolgen, da alle Schurkenmassen mit größerer Wahrscheinlichkeit von den großen planetaren Gravitationsschächten erfasst oder in den kalten Weltraum geschleudert werden.
• In beiden Umlaufbahnen sind die Delta-V-Anforderungen für die Flucht aus dem Sonnensystem im Vergleich zur Erdumlaufbahn reduziert.

Leistung

Die Bereitstellung von kontinuierlicher Energie für ein so großes Bauprojekt, ganz zu schweigen von den Lebensbedürfnissen der Menschen, wird mehr erfordern, als Solarzellen in diesen Umlaufbahnen bereitstellen können. Kernspaltungsreaktoren könnten dazu in der Lage sein, aber diese erfordern spezifische isotopische Elemente und erzeugen unangenehme Nebenprodukte. Alternativ produzieren Kernfusionsreaktoren (obwohl sie immer noch bestimmte Isotopenelemente benötigen) keine unangenehmen Nebenprodukte, produzieren aber derzeit auch keine positive Nettoleistung. Vielleicht wäre das in ein paar Jahrzehnten möglich, vielleicht auch nicht.

Außerdem haben wir nicht darüber nachgedacht, wie das Schiff selbst nach dem Start angetrieben wird. Zweifellos wird das Design mehrere redundante Systeme enthalten, aber der Betrieb eigener Kraftwerke erfordert Verbrauchsressourcen, und was tun Sie mit dem Müll?

Denken Sie in großem Maßstab, wie wäre es mit einem Dyson Array? Selbst ein sehr bescheidenes Array wird Energie in reichlichen Mengen nicht nur für den Bau, sondern auch für die Übertragung an das Schiff für mehr als 200 Jahre liefern.

Transport

Personen, die zu und von den Werften umziehen, können von einem kleineren Schiff mit über 500 Personen versorgt werden. Wieder angetrieben von einer Mischung aus Solar-, Reaktor- und Dyson-Array. Die Motoren können ionenbasiert sein, wobei ein Sonnensegel vorsichtig vom Dyson-Array geschoben wird.

Bergbau

Vielleicht die komplexeste Operation, obwohl der Asteroidengürtel Ressourcen enthält, die für Menschen einige Schwierigkeiten bereiten würden, sie zu extrahieren. Roboter könnten die Arbeit erledigen, aber wir fummeln immer noch an der Robotik in unseren eigenen Fabriken auf der Erde herum, wie Tesla zeigen kann. Eine kurzfristige Quelle wäre eine Bergbaukolonie auf dem Mond oder Quecksilber.

• Der Mond hat Probleme in Bezug auf Atmosphäre und kosmische Strahlung.
• Merkur hat Probleme mit der Schwerkraft

Lebenserhaltung

Dies ist der schwierigste Aspekt. Wir sind uns nicht sicher, was für eine langfristige Gesundheit im Weltraum benötigt wird, sogar innerhalb des Sonnensystems. Am besten ist es, die Raumstation so zu konstruieren, dass sie etwas überzeugend Erdähnliches liefert: Atmosphärendruck, tatsächliche terranische Biome, Schwerkraft und sonnenähnliches Licht.

Das beste Design dafür ist tatsächlich ein Ring (oder Ringe) mit einer zentralen gegenläufigen Welle zum Andocken und zur Motorhalterung. Der Ring sollte einen kreisförmigen Querschnitt haben, um sowohl den Innenraum als auch die Festigkeit der Gesamtstruktur zu maximieren. Wenn es mehrere Ringe gibt, vielleicht einige Kreuzringverstrebungen für extra strukturelle Stabilität.

Um nicht zu viel Unbehagen hervorzurufen, sollten die Ringe einen Innendurchmesser von mindestens 3 km haben. Der Querschnittsdurchmesser hängt zu einem großen Teil von den verfügbaren Ressourcen, der Montagetechnik usw. ab.

Bootstrapping der ersten Werft

Die erste derartige Werft würde modular von der Erde aus gebaut werden, nicht unähnlich der ISS. Die Module würden im Winkel miteinander verbunden und bildeten einen kleinen Ring. Es könnte wahrscheinlich nur gedreht werden, um <1/6 Erdgravitation zu emulieren. Genug, damit die Arbeitsteams mit der Herstellung des eigentlichen Rings beginnen können. Dieser innere Ring könnte auf der letzten Station als Wartungshof verbleiben oder abgenommen werden, um mit dem Bau der nächsten Station zu beginnen, um sie an anderer Stelle im Sonnensystem einzusetzen.

Die Beschaffung von Ressourcen für diese Proto-Werft wird schwierig sein, da Ressourcen aus der Erde teuer sind. Eine Möglichkeit wäre, diese Proto-Werft in eine Mondumlaufbahn zu verlegen. Wir verfügen derzeit über ausreichende Technologie, um einen Raumaufzug auf dem Mond zu errichten, der eine kostengünstige Möglichkeit bietet, Ressourcen zur Proto-Werft zu transportieren. Da der Mond für das Erde-Mond-System sehr wichtig ist, wäre es einfacher, Ressourcen von den Marsmonden zu stehlen, da sie weniger Schwerkraft haben. Dies wird jedoch die menschliche Logistik erschweren.

Sobald die Proto-Werft die erste Werft gebaut hat, kann die Menschheit wirklich damit beginnen, die Generationsschiffe in großem Maßstab zu bauen.