Nové pohony kosmických lodí

[Dugi]

Chyby podle tomasových instrukcí opraveny.
Děkujeme Amperovi za upozornění na chybu.

[tomas]

Další zprávička se netýká přímo nového typu pohonu, ale spíše vylepšení výroby stávajících typů pomocí nové laserové technologie.

Jedná se o SLM (selective laser melting - selektivní laserové tavení), což je v principu laserové tavení kovového prášku do libovolných prostorových tvarů. Prakticky je to jedna z forem 3D tisku. Dodává jí německá firma Hoffman Innovation Group.



Primárně má být tato technologie nasazena při výrobě dílů pro rakety SLS. Zkrátí čas výroby z měsíců na týdny nebo dokonce dny a ušetří nemalé finanční prostředky v řádech miliónů dolarů. Vyrobené díly budou také kompaktnější, silnější a spolehlivější. Z principu budou přesně odpovídat návrhu, jinak to u této technologie ani nelze.

Součástí zdrojového článku je i video z výroby výše zobrazeného kusu.
http://www.nasa.gov/exploration/systems ... lting.html

Díky Pajosovi za nalezení videa na youtube:

[tomas]

Článek o možném pohonu meziplanetární lodě.

http://www.hybrid.cz/k-marsu-lide-polet ... -rika-nasa

[Dugi]

Tomas v nejnovějším článku pro náš blog shrnul nové typy pohonů kosmických lodí. A zároveň je seřadil od těch nejběžnějších, které se už používají až po hudbu skutečně vzdálené budoucnosti. Přeji příjemné čtení.

[63855]

Tak jsem jednou usínal a zamyslel jsem se nad kosmickým motorem, který by jako palivo používal jen palivo co by sám nabral cestou. Myšlenka je taková: raketa se řítí rychlostí v a zachytává pomocí magnetické pasti ionty vodíku ze své blízkosti. Pomocí termojadérné fůze vyrábí energii pro své motory, ve kterých urychluje ionty hélia (vytvořená z vodíku) a tím získává tah. Samozřejmě neuvažuji s problémy, že termonukleární fůze je zatím trochu mimo dosah, a že ona magnetická past by musela mít rozpětí stovky až tisíce kilometrů pro nějaké pořádný tah.

No a protože bez matematiky je to jen takové povídání, tak jsem si i vypočetl jakou maximální rychlostí se může taková raketa řítit.

Zásadní problém je v tom, že ve chvíli když zachytávám ionty vodíku tak ony ionty mne samy brzdí, pokud je jejich proud vůči mé raketě nenulový a opačný ke směru v. Toto brždění bude tím větší čím větší bude má rychlost. Rychlost rakety je tedy dána omezením jak moc velký tah dokáži vytvořit v odporovém prostředí. Jinými slovy raketu bude brzdit hybnost p částic pohybující se proti lodi a zrychlovat hybnost P částic odlétajících. Maximální rychlost raketa dosáhne pokud se obě hybnosti rovnají. Příklad počítáme v soustavě spojené s kosmickou lodí. Příklad budeme počítat relativisticky. Kde c je rychlost světla, E je energie částic, u je účinnost fůze, m je klidová hmotnost částic.

Relativistická hybnost lze spočítat:

(Pc)^2=E^2+m^2c^4,

kde energie částice je

E=mc^2/g,

kde

g=(1-v^2/c^2)^(1/2).

Nesmíme zapomenout, že množnost části odlétajících m_o je nižší jak částic přilétajících m_p, tedy

m_p=m_o(1+u).

Tato definice účinnosti není úplně ideální protože při maximálním využití energie není u=1, ale nekonečnu, nicméně pro malá čísla to sedí. Uvažujme, že celková energie částic v motorech je klidová plus kinetická. Ta kinetická pak bude rovna energii, kterou jsme získali pomocí fůze. Tedy energie odlétajících částic je:

E=m_oc^2+um_oc^2=m_oc^2(1+u)=m_pc^2.

Jak jsme zmínili hybnosti při lapení a zpětném odhození musejí být shodné, tedy

P_p=P_o,

kde

(cP_p)^2=(m_pc^2/g)^2-(m_pc^2)^2

a

(cP_o)^2=(m_pc^2)^2-(m_oc^2)^2=(m_pc^2)^2-(m_pc^2/(1+u))^2,

Tedy dosazením a podělením (m_pc^2)^2 získáme


(m_pc^2/g)^2-(m_pc^2)^2=(m_pc^2)^2-(m_pc^2/(1+u))^2,

(1/g)^2-1=1-(1/(1+u))^2.

Protože g obsahuje rychlost v lze v/c jednoduše vyjádřit ve tvaru

(v/c)^2=[(1+u)^2-1]/[2(1+u)^2-1].

A máme hotovo.

Bez pořádných čísel by to ale byla nuda. Pro začátek uvažujme nudný příklad a to, že účinnost bude nula. Pak:

(v/c)^2=0/1=0.

Což se jistě dalo očekávat. Nulová účinnost nulová rychlost. Pro účinnost přibližně odpovídající fůzi cca. 1%, tedy u=1/100 už je situace o trochu lepší (hodnota není přesná) v=0,13c, tedy 13% rychlosti světla, to je asi 40 let k Centauri systému, to podle mne není špatné na to, že na lodi nemusí být žádné palivo. No a v případě, že efektivita motoru bude maximální tedy absolutní přeměna energie u=∞ (v/c)^2=1/2, tedy cca. 70% rychlosti světla. Tato úvaha není zcela zcestná uvědomíme-li si, že v kosmickém záření je řada antičástic, které by se daly použít k anihilaci.

Ve skutečnosti si myslím, že by tah mohl být ještě trochu větší, protože jak by se ionty zachytávaly, vyzařovaly by brzdné záření, jež by odvádělo část negativní hybnosti. To ale až snad příště. Doufám, že jsem tam neudělal nějakou výpočetní chybu. Nějak jsem to nepřepočítával, takže prosím o kontrolu.

[Dugi]

Rozhodně zajímavá teorie.
Jen nedokážu ocenit ty rovnice, protože mi matika nikdy nešla.

[JosVerstapen]

Ja kurňa no matika mě úplně zas tak cizí není, ale toto je na mě moc složité nebo spíš jsem ani nepochopil záměr čoveče fakt ee
Já teda nevím co jsi tím měl na mysli, ale zkráceně je logika následující:
- proč zachytávat ionty, částice či fotony (elektromagnetické záření), když termonukleární reaktor, který by byl v kosmické lodi přece tyto všechny složky bude vyrábět pomocí fůze a tudíž je může použít pro pohon!!...to ani nemluvím o obrovské energii vytvořené tímto reaktorem.
-dále antičástice sice jsou v našem pozorovaném vesmíru časté, ale vznikají pouze interakcí a zanikají za jednu miliardtinu či miliontinu sec pomocí anihilace s částicí nebo fotonem. Takže z volného vesmíru by něšlo co použít.

Toď jenom moje logická vsuvka jak to vidím já podle mých znalostí nic víc k těm rovnicím to je v tuto chvíli pro mě Espaňa

[63855]

Na výpočty jsem použil jenom středoškolskou matematiku, a znaky jsem použil tak jak se píší v texu. Možná když si to přepíšeš tak to bude jasnější (^2 znamená na druhou a _ je jenom označení pro spodní index). Přiznám se, že po stánce fyzikální to není zcela korektní, protože jsem zanedbal, či záměrně přehlédl řadu faktorů (hlavně termodynamiku děje). Pokusím se to příště více na vyšperkovat, ale už to nebude tak jednoduchše zapsané. Takže výsledné hodnoty lze použít spíše jako odhad.

Co se týče toho co říkáš, ano raketa si múže své palivo vést sama, ale pro dosáhnutí relativistických rychlostí potřebuje hmotu paliva o několik řádů více jak sama váží (a to i pokud použijeme fůzi). A celou tuto masu musí postupně taky uvádět do pohybu, takže výkon raket musí být o to větší. Navíc raketa se svým palivem musí vést palivo (plus nádrže atd.) jak na zrychlení, tak na zpomalení (výhoda, rakety s vlastním palivem je zase, že ji nic nebrzdí). Tah raket na hmotnost tak bude řádově mnohem větší. Koncept zachytávání částic lze použít navíc jako padák v případě, kdy raketa vletí do cílové soustavy, takže opět žádné palivo. Navíc se to hodí pro dosáhnutí prvotních rychlostí (jako plachetnice), protože hvězdný vítr má tuším 0,15% rychlosti světla a je zcela ionizovaný (zde by opět zavazela vysoká počáteční hmotnost rakety s vlastním palivem).

Jinak hustota částic v kosmickém prostoru (cca. 90% vodíku) je od 10^2-10^12 na krychlový metr (jiné zdroje uvádí více http://en.wikipedia.org/wiki/Interplane ... rplanetary s průměrem 10^6), s rozpětím 10^10m^2, což je hlachta 100km široká a dlouhá se dá polapit kilogram vodíku (v závislosti na výše uvedené hustotě) od 100km-10^12km (cca. 40Ld). S hustotou pozitronů je to pravda již trochu obťížnější a ani nemám reálnou představu kolik jich tam nahoře je.

[63855]

A už jsem našel chybu, u první rovnice má být mínus na místo plus. Ale je to jen překlep, ta chyba se dál nešíří, tzn. zbytek by mohl být OK.

[petrsida]

Ahoj

myšlenka je to pěkná a přiznám se, že jsem dneska tak vygumovaný, že přepočítávat nedokážu

jenom mě napadá, zda by se na účinnosti neměla projevit energie toho magnetického pole, jde o to, že v reálu to nebude jen o hybnosti částic zachycených a vypouštěných, extrémní množství energie bude pohlceno na onu past a pak také na stlačení částic na takovou míru, aby fůze nastala a také na magnetické udržení fůze

vem si, že dnešní tokamaky, kde se fúzi už podařilo nastartovat, mají negativní energetickou bilanci danou právě tou obrovskou náročností startu

je otázka, zdy by pak u kontinuálního procesu dodávání paliva nepřevážil tenhle záporný efekt, respektive do určitého množství dodávané hmoty určitě převáží

a teď nastane ten problém, při minimální hustotě částic je třeba enormní magnetické pole, které ale zase spotřebuje enormní množství energie, tj čím víc částic zachytávám, tím víc energie spotřebuji na jejich zachycení

reálně tak může být účinnost mnohem horší

A teď je otázka, jestli je má úvaha správná?