![[personal profile]](https://www.dreamwidth.org/img/silk/identity/user.png){kind=small}
antihydrogenПодвело доброго человека незнание специфики взаимодействия релятивистских частиц с веществом. А именно, он полагал, что пылинки будут взрываться на поверхности щита. На деле же, с увеличением энергии частицы потери энергии заряженной частицы на единицу пробега в веществе падают, так что вещество становится все более прозрачным для частиц. Минимальные потери наблюдаются при кинетической энергии приблизительно равной 2mc2, что соответствует скорости 0.94с. Потери энергии заряженной частицы при такой скорости составляют около 2 МэВ на см пути (в веществе с плотностью 1 г/см3, для пересчета на другие вещества нужно просто умножить на их плотность).
Так что же произойдет с частицей пыли, если она попадет в вещество на скорости 0.94с? Уже на первом же сантиметре пути с атомов пылинки будут ободраны и застрянут в веществе все электроны. Но ядра, несущие основную энергию, пролетят еще около десяти метров, прежде чем остановиться! Вдоль траектории этого призрака пылинки образуется канал из испарившегося вещества. В качестве материала для щита лучше всего брать графит (для его испарения нужны рекордные 60 кДж/грамм). Энергии среднестатистической пылинки массой 10-13 грамм хватит на испарение 0.3 мг графита. Если бы весь испарившийся графит улетал в космос, то за год терялось бы 300г/см2, т.е. полтора метра толщины щита. Однако, на самом деле канал из испарившегося графита будет гораздо короче, чем путь ядер пылинки. Голые ядра будут отталкиваться друг от друга, из-за чего, как можно прикинуть, их пучек приобретет расходимость порядка 10-4 радиана. Полагая начальный радиус пылинки около 0.5 мкм, получим, что уже спустя 25 см объемной плотности потерь энергии ядер не будет хватать на то, чтобы испарять графит, т.к. вся энергия потратится на его нагрев (для нагрева графита до 4000К без испарения требуется около 3 кДж/г). То есть, на испарение уйдет всего несколько процентов энергии пылинки, так что темпы испарения будут порядка 10 г/см2 на год пути. Но и это количество по большей части останется внутри щита, поскольку радиус канала на начальном этапе трека пылинки будет составлять менее микрометра. Сквозь столь малое отверстие все вещество из 25см-вого канала просто не сможет улетучится. Если сделать щит пористым, испарившийся графит будет расширяться в поры и оседать на их стенках, так что необратимо в космос будет улетать только вещество из поверхностных чешуек. При толщине чешуек 10 мкм можно свести потери до совсем уж пренебрежимо малых 0.3 мг/см2, или 1.5 мкм толщины в год.
Правда, внимательный читатель может заметить, что, раз набегающие частицы имеют столь большую проникающую способность, огромный щит все равно потребуется. Без щита набегающие атомы водорода будут давать дозу 20 грей в секунду, что в четыре раза превышает смертельную для человека. Даже сама Deinococcus radiodurans при таких условиях не протянет и десяти минут.
Однако, эта проблема легко решаема. Напомню, что щит толщиной в 1 см заведомо обдерет все электроны с налетевшего нейтрального атома. На самом деле, для отрыва внешних электронов хватит и 1 мкм вещества. То есть, из тонкого щита будут вылетать заряженные частицы, и, в отличии от исходных нейтральных атомов межзвездной среды, их можно будет отклонить магнитным полем. 1см щит продержится несколько тысяч лет, летай сколько хочешь, законом не запрещено,
P.S. Вместо расплывчатой идеи насчет магнитного поля пришла более интересная - электростатическая защита с автоподзарядкой.
Прикрепим к одному из боковых краев щита проводящую сетку. Другим концом закрепим ее аналогичным образом за боковой край корабля. Так как щит по описанным выше причинам будет накапливать отрицательный заряд, сетка также зарядится отрицательно. Прорвавшиеся сквозь щит ядра будут ею притягиваться и отклоняться вбок, в обход корабля. Полагая реалистичное значение потенциала сетки 10 киловольт (потенциал ограничивается автоэмиссией электронов с сетки), получаем, что ядра будут отклоняться на порядка 0.001/γ радиан.
Чтобы минимизировать расстояние, на которое нужно отклонить ядра, щит и переднее сечение корабля практичнее сделать прямоугольными, и прикрепить сетку к одной из длинных сторон. Таким образом, перед нашим умственным взором вместо корабля с аксиальной симметрией, популярной в hard sci-fi, внезапно предстает конструкция с билатеральной симметрией, характерная для совсем другого поджанра фантастики.
Ну не так красиво, конечно. Корабль со щитом будет представлять из себя параллелепипед, сильно вытянутый вдоль направления движения. Его "брюшная" сторона будет затянута сеткой, а "спина" будет "голой". В общем, крейсер класса "Дырявое корыто".
Полагая длину короткой стороны щита b=3 м, получаем, что, для того чтобы отклоненные ядра прошли мимо корабля, расстояние между щитом и кораблем должно быть порядка 1 км.
Имеется полезный побочный эффект: отбрасываемые в сторону ядра будут создавать тягу, направленную вбок. Это можно использовать для небольших корректировок направления движения, просто поворачивая конструкцию "спиной" туда, куда нужно повернуть. И вся эта комбинированная система радиационной защиты и коррекции траектории аппарата будет работать пассивно, источником энергии для нее будут служить тормозные потери частиц в щите. Из активных систем потребуется только гиродин.
Так что основные сложности инерциального участка межзвездного перелета, можно сказать, разрешены. Остается мелкая техническая проблемка разгона аппарата до субсветовой скорости...
![[identity profile]](https://www.dreamwidth.org/img/silk/identity/openid.png){kind=small}
no subject
Date: 2016-07-26 10:26 pm (UTC)И еще: насколько сильным будет торможение, если частицы полностью поглощаются, а корабль весит 10-100 кг/ кв см лобовой поверхности ?
no subject
Date: 2016-07-26 11:38 pm (UTC)Плотность межзвездной среды порядка нескольких атомов в см3, поток атомов будет порядка несколько миллионных долей грамма на см2 в год, так что при ваших параметрах корабль заметно затормозится только за миллиарды лет.
(no subject)
From:no subject
Date: 2016-07-26 10:49 pm (UTC)А какое магнитное поле потребуется? Не проще ли щит?
no subject
Date: 2016-07-26 11:39 pm (UTC)no subject
Date: 2016-07-26 11:34 pm (UTC)крайне забавно <3
Date: 2016-07-27 01:57 am (UTC)всё это реально круто (вот что значит -- работает специалист) но несколько моментов я тут спросонья не понял:
1. если электроны выдираются то куда они потом деваются? ведь они будут ионизировать атомы этого щита, то есть будет а) нагрев б) отрицательный заряд этого щита
2. про пылинку непонятен переход
Полагая начальный радиус пылинки около 0.5 мкм, получим, что уже спустя 25 см объемной плотности потерь энергии ядер не будет хватать на то, чтобы испарять графит, т.к. вся энергия потратится на его нагрев (для нагрева графита до 4000К без испарения требуется около 3 кДж/г). То есть, на испарение уйдет всего несколько процентов энергии пылинки, так что темпы испарения будут порядка 10 г/см2 на год пути.
в случае сферической пылинки в вакууме это да, но ведь она там не одна, то есть столкновения будут постоянно нагревать графит? Какая температура у него будет?
3. Фундаментальной проблемой пока что является само количество вещества (то есть этих самых пылинок) в межзвездном пространстве. Пока никто не летал -- точно никто не знает (и посему всякие тёмные материи выдумывают).
Re: крайне забавно <3
Date: 2016-07-27 07:18 am (UTC)2. Нагрев будет вызываться в основном атомами газа (их суммарная масса гораздо больше). Общий поток энергии при 0.94с будет составлять около 20 Вт/см2. Если бы этот поток энергии поглощался весь - щит бы нагрелся до 1400К, вполне терпимо для графита. Если же взять тонкий щит с толщиной 1 г/см2, то в нем будет поглощаться всего одна тысячная от энергии набегающих атомов, и его температура будет всего 240К.
3. Плотности межзвезного газа и пыли достаточно хорошо известны из астрономических наблюдений. Более того, эти плотности можно измерить напрямую, не покидая Солнечной системы: магнитные поля Солнца и Земли на нейтральные атомы и пылинки не влияют. В частности, зонд Stardust поймал несколько межзвезных пылинок. Что касается темной материи, то она по определению практически не взаимодействует с обычным веществом, в том числе с межзвезными кораблями и их пассажирами, так что в расчетах радиационной опасности ее можно не учитывать.
Re: крайне забавно <3
From:Re: крайне забавно <3
From:Re: крайне забавно <3
From:no subject
Date: 2016-07-27 02:23 am (UTC)Вариант ударной ионизации и дальнейшего экранирования магнитным полем выглядит интересно.
no subject
Date: 2016-07-27 05:16 am (UTC)no subject
Date: 2016-07-27 05:28 am (UTC)От себя добавлю, что все хотя бы условно реалистичные двигатели больше 0.1c разогнать не позволяют.
no subject
Date: 2016-07-27 06:50 am (UTC)(no subject)
From:(no subject)
From:(no subject)
From:(no subject)
From:(no subject)
From:no subject
Date: 2016-07-27 10:29 am (UTC)no subject
Date: 2016-07-27 04:37 pm (UTC)если передняя часть уже пористая, то исходящий пар будет обратно конденсироваться. тогда можно брать не дорогой графит, а что попало типа железо-никелевых кусков метеоритов.
>При толщине чешуек 10 мкм можно свести потери до совсем уж пренебрежимо малых 0.3 мг/см2, или 1.5 мкм толщины в год.
ээ.. год по часам корабля? навскидку, это как раз путешествие от старта до финиша.
и да, если у нас что-то типа таранно-черпающего двигателя, то эти протоны могут и пригодиться прямо по месту.
ps: имхо, в таких полётах самое страшное - это перегрузки. если полпути разгоняться и полпути тормозить, обеспечивая всего этак 15м/с2 в каютах, то лететь даже на 10 световых лет будем долго по корабельным часам. а бОльшие перегрузки как-то совсем непонятно как бороть без жесткой киборгизации космонавтов.
no subject
Date: 2016-07-27 05:57 pm (UTC)no subject
Date: 2016-07-27 07:17 pm (UTC)(no subject)
From:no subject
Date: 2016-07-27 07:37 pm (UTC)Вопрос: а нельзя ли как-то воспользоваться выделяющейся при этом энергией для движения самого корабля?
no subject
Date: 2016-07-27 08:10 pm (UTC)(no subject)
From:no subject
Date: 2016-07-27 08:09 pm (UTC)вообще а что мешает отодвинуть щит на 5 или 10 км от корабля? тут же космос, да и по сравнению с разгоном это мелкая проблема.
no subject
Date: 2016-07-27 08:25 pm (UTC)(no subject)
From:(no subject)
From:(no subject)
From:(no subject)
From:no subject
Date: 2016-07-27 09:47 pm (UTC)Получается, что любимый многими прямоточный двигатель (где набигающие идут в топку) не так уж для этого эффективен. Потери от торможения газа быстро сведут на нет выхлоп от его использования.
no subject
Date: 2016-07-28 08:49 am (UTC)no subject
Date: 2016-07-28 08:54 am (UTC)(no subject)
From:(no subject)
From:no subject
Date: 2016-08-01 06:48 pm (UTC)вот у электронов спин полуцелый, поэтому они фермионы, поэтому два электрона не могут быть в одном и том же состоянии, и если попытаться напихать много электронов в малый объём, то они полезут на более высокие уровни и придется поднимать температуру и давление, чтоб удержать эту кашу компактно.
вот и у ядер и у целых атомов гелия4 спин целый, поэтому они подчиняются статистике бозе-эйнштейна, без проблем всей огромной толпой оказываются в одном состоянии, и эта толпа, например, сверхтекуча.
но при этом электроны легко объединяются в пары, и эти пары опять же могут находиться в одном и том же состоянии, опять подчиняются статистике бозе, вся толпа сверхпроводима.
(надеюсь, в вышеописанном я не сильно всё перепутал).
так вот, вопрос. а нейтрино могут объединяться в аналогичные пары? если нет, то почему?
no subject
Date: 2016-08-30 03:21 pm (UTC)no subject
Date: 2016-08-30 04:24 pm (UTC)(no subject)
From:(no subject)
From:(no subject)
From:(no subject)
From:(no subject)
From:(no subject)
From:(no subject)
From:(no subject)
From:no subject
Date: 2016-09-04 01:27 pm (UTC)Ну и вообще заказ на всякий технотреш, и не очень треш, который хотя бы в принципе позволил бы разогнать звездолет до релятивистских скоростей, и при этом соответствовал выполнению условия "во-первых, это красиво" :)). А то такая вещь пропадает (я про изложенное в данном посте).
В предвкушении, :)
no subject
Date: 2016-09-06 09:01 pm (UTC)Вот это для мелкой черной дыры (скажем, меньше миллиона тонн) и обычной материи попросту невозможно. Просто потому что черная дыра весом миллион тонн имеет радиус с протон, и сечение поглощения частиц вещества у нее очень маленькое, а излучение Хокинга - большое. Точные расчеты, а не оценка на глазок, подозреваю, покажет, что и миллиона тонн будет маловато.
(no subject)
From:(no subject)
From:(no subject)
From:(no subject)
From:no subject
Date: 2016-11-14 03:33 pm (UTC)no subject
Date: 2016-11-14 04:34 pm (UTC)Но:
1) Вероятность ядерных реакций при пролете налетающего атома сквозь предлагаемый тонкий щит весьма мала. Нетрудно прикинуть, что для щита толщиной 1см вероятность хотя бы просто столкнуться ядру налетающего атома с ядром атома щита составляет порядка 0.1%. Вероятность же ядерной реакции на несколько порядков меньше вероятности простого столкновения.
2) Угол разлета образовавшихся в щите нейтронов будет довольно большим, порядка десятков градусов. Так что в тушку корабля, отодвинутую на несколько километров от щита, будет попадать сотые доли процента от образовавшихся в щите нейтронов.
В итоге получаем, что по самым пессимистичным прогнозам поток нейтронов будет составлять порядка одной десятимиллионной доли от первичного потока атомов межзвездной среды. Поток нейтронов будет прямо пропорционален толщине первичного щита, а ее можно уменьшить вплоть до 1мкм без потери функциональности (т.е. способности обдирать электроны с пролетающих сквозь него атомов). Так что и доведение потока до менее чем 1 миллиардной первичного не выглядит особой проблемой.
(no subject)
From:(no subject)
From:no subject
Date: 2016-11-20 06:04 am (UTC)no subject
Date: 2016-11-20 04:59 pm (UTC)Угол раствора направлений излучения возникающих фотонов 1/gamma, так что, если щит находится далеко впереди корабля, на корабль попадет очень малая доля образовавшихся фотонов, порядка сотых долей процента, если брать ту же геометрию, что я предполагал в оценках для выбитых нейтронов http://antihydrogen.livejournal.com/46578.html?thread=485106#t485106
no subject
Date: 2016-11-20 02:42 pm (UTC)no subject
Date: 2017-03-27 01:32 pm (UTC)THE INTERACTION OF RELATIVISTIC SPACECRAFTS WITH THE INTERSTELLAR MEDIUM
Thiem Hoang, A. Lazarian, Blakesley Burkhart, and Abraham Loeb
(Draft version December 28, 2016)
https://arxiv.org/pdf/1608.05284v2.pdf
no subject
Date: 2017-12-13 12:10 pm (UTC)А также, камешек какой минимальной массы уконтрапупит щит на тех же скоростях и вероятность этой незабвенной встречи, если можно?