О борьбе с колдобинами на межзвездных дорогах
Какой-то добрый человек сделал для релятивистских межзвездных кораблей оценки необходимой защиты от набегающего межзвездного газа и пыли, и пришел к выводу, что удары пылинок будут столь быстро разрушать носовой щит корабля, что при v/c>0.1 даже для путешествий к ближайшим звездам потребуется щит толщиной в десятки и сотни метров толщиной. Это конечно заметно усложнило бы межзвездные путешествия, но, к счастью, эти оценки неверны.
Подвело 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, и на 95% полезнее табачного дыма.
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 совсем так, 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...
Подвело 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, и на 95% полезнее табачного дыма.
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 совсем так, 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...