Аватар 2 - энергетика межзвёздных перелётов
Попробую прикинуть, сколько энергии тратит человечество во вселенной фильмов "Аватар" и "Аватар 2" на то, чтобы летать в соседнюю звёздную систему Альфа Центавра и там варварски грабить население спутника газового гиганта Полифем под названием Пандора.
События первого фильма на Пандоре разворачиваются в 2154 году, во втором фильме - где-то 10-15 лет спустя. В первом фильме между Пандорой и Землёй постоянно курсируют 12 звездолётов, из которых 9 - типа ISV Capital Star. На полёт в одну сторону уходит 6.75 лет по часам Земли, для экипажа проходит около 5 лет из-за релятивистских эффектов. На разгон с ускорением 1.5G уходят 5.5 месяцев, и столько же на торможение у Пандоры, остальное время корабль летит со скоростью 0.7 от скорости света, то есть 209854720.6 м/с. В сторону Пандоры корабль с помощью солнечного паруса разгоняется лазером с Земли, а тормозится на подлёте к Пандоре с помощью двух ракетных двигателей на энергии аннигиляции водорода и антиводорода. На орбите Пандоры он остаётся в течении года, водородом и антиводородом заправляется из атмосферы Полифема. В обратную сторону он летит те же 6.75 лет, но разгоняется 5.5 месяцев ракетными двигателями, а тормозится на подлёте к Земле лазером, освещающим парус.
Итого вырисовывается конвейер: пока один корабль находится на орбите Пандоры, а другой на орбите Земли, пять кораблей летят к Пандоре, а другие пять - к Земле. Получается, что в год надо разгонять один корабль и тормозить другой.
О массе конструкции корабля данных нет, известно лишь, что в длину он 1646 метров, сделан из углеродных нанотрубок и других прочных неметаллов, максимально облегчён, и может поддерживать свою форму только вне атмосфер в невесомости. Судя по его внешнему виду, его конструкция работает в основном на растяжение, что и позволяет её облегчить. Это некое подобие гоночных каров из "Звёздные войны: скрытая угроза", где вместо жёсткого корпуса - натянутые тросы, на которых двигатели тянут кабину пилота. Однако известно, что на борту 25 членов экипажа, 200 пассажиров, 350 тонн груза и 2 шаттла "Валькирия". Из этого и буду исходить в расчётах.
Но сначала о том, сколько энергии потребляет человечество. Согласно прогнозу, в 2050 году мощность, потребляемая людьми, составит 28 тераватт. Имеется ввиду вся мощность, а не только электричество, вырабатываемое электростанциями. Учитывая что 1 ватт - это 1 джоуль в секунду, нетрудно подсчитать, что за год получится потребление 883 х 10 ^18 джоулей. Т.е. 883 и 18 нулей.
Примем среднюю массу человека на борту ISV Capital Star за 80 килограмм. Тогда масса 225 человек на борту составляет 18 тонн. Их кинетическая энергия в полёте на скорости 0.7С составляет без малого 396 х 10 ^ 18 Джоулей. То есть почти половина прогнозируемого годового потребления энергии в 2050 году. И эту энергию нужно передать лазером с Земли на корабль за 5.5 месяцев разгона. А потом ещё столько же передать за 5.5 месяцев во время торможения. Учитывая, что КПД лазера и всей обеспечивающей его инфраструктуры не 100%, реальное потребление энергии ещё больше. То есть только на то, чтобы разогнать и затормозить людей на борту одного звездолёта, нужно за год потратить примерно столько же или даже больше энергии, чем человечество будет потреблять в 2050 году. И примерно столько же выделяют аннигиляционные ракетные двигатели корабля во время разгона и торможения одних только людей.
Полезная нагрузка составляет 350 тонн. На Пандору отправляют трижды резервированные хранилища данных для стереолитографических станков, производящих большую часть всего необходимого колонистам, сами эти станки, если надо, а также наиболее сложные миниатюрные компоненты, которые невозможно или очень сложно произвести на Пандоре. Обратно отправляют анобтаниум, хранилища данных, содержащие сведения о химических соединениях, обнаруженных на Пандоре и могущих представлять интерес для синтеза и применения на Земле, а также сувениры НаВи, продаваемые коллекционерам за бешенные деньги. 350 тонн - это в 19.44 раз больше, чем оценочная масса людей на борту, соответственно, во столько же раз больше надо затратить энергии.
Про шаттлы "Валькирия" известно, что грузоподъёмность каждого 35 тонн, сделаны они из чрезвычайно лёгких и прочных неметаллических композитов, которые в 4 раза легче сплавов, из которых делали предшествующие шаттлы. Масса конструкции не указана. Можно попытаться грубо её прикинуть. Масса челнока "Спейс Шаттл" 80 тонн при грузоподъёмности 27. Да, поднимает он не один, а в составе системы массой 2000 тонн, но у "Валькирии" термоядерные реактивные двигатели, которые многократно эффективнее химических на водороде у "Спейс Шаттл". 35/27 = 1.3, 1.3 х 80 = 104 тонны. Сокращаем это в 4 раза - получается 26 тонн. Сократим это вдвое, так как предшественники "Валькирии" - это всё же не "Спейс Шаттл", а некие челноки середины XXI века, несомненно более совершенные. Итого получаются очень скромные 13 тонн. Две "Валькрии" - 26 тонн. Затраты энергии на них в 1.56 раз больше, чем на людей на борту.
Какова масса самого корабля? Масса международной космической станции длиною 100 метров - около 400 тонн. Масса стальной Эйфелевой башни, размеры которой несколько меньше конической фермы в центре корабля - 7300 тонн. Корабль сделан из углеродных нанотрубок, и его конструкция работает на растяжение. Полагаю, можно очень грубо оценить массу корабля в 1000 тонн - всё же там есть несколько щитов, радиаторы и аннигиляционные ракетные двигатели. И тогда на его разгон и торможение будет тратиться в 55.56 раз больше, чем на людей на борту.
Итого: в год надо передать с Земли на корабли в 69.56 раз больше энергии, чем по прогнозу будет потреблять человечество в 2050 году, а потратить ещё больше, поскольку КПД лазера не 100%. И столько же выделяется аннигиляционными движками. Сколько человечество будет потреблять энергии в 2154 году, когда Джейк Салли прибывает на Пандору? Если прирост потребления энергии будет составлять 5% в год по сравнению с предыдущим, как сегодня, то за 104 года, прошедшие с 2050 потребление вырастет в ~160 раз. То есть одна только работа лазеров для межзвёздных парусников съест половину общего потребления энергии на Земле в 2154. Если возвращение на Пандору состоялось спустя 15 лет, в 2169, то потребление энергии удвоилось, и стало в 332 раз больше чем в 2050, но при этом земляне запустили к Пандоре сразу 10-12 кораблей, и у них на борту был десант из громадных бульдозеров и пехоты в шагоходах. На разгон такой армады должно было уйти более чем в 350 раз больше энергии чем годовое потребление в 2050, то есть тут бюджет уже не сходится, или человеки напрягли неимоверные усилия, чтобы заслать на Пандору своих гнусных псов империализма, и подкреплений с Земли для армии вторжения на Пандору долго не предвидится. Учитывая, что один корабль несёт 225 человек, на 12 кораблях прибыло 2700 человек, против неустановленного количества аборигенов Пандоры, которые уже разжились земным оружием и продолжают это делать в своих вылазках.
И такие затраты энергии ради всего лишь высокотемпературного сверхпроводника анобтаниума? Скорее уж земляне бы потратили такой энергетический бюджет на строительство ускорителей, создающих из лёгких элементов более тяжёлые, вроде отечественного ДЦ-280, но более продвинутых, производящих в промышленных масштабах всякие редкоземельные элементы и трансурановую экзотику с "острова стабильности". Во втором фильме в качестве основного ресурса Пандоры ввели "эликсир бессмертия", добываемый из местных китов тулкунов. Это, несомненно, более заманчивая штука, могущая сподвигнуть сверхкрупных денежных мешков на безумство. Однако из описания ISV Capital Star следует, что структуру открытых на Пандоре органических соединений изучают, записывают и отправляют на Землю, и те соединения, которые признаются полезными, синтезируют на Земле. То есть в принципе можно было бы наладить производство этой штуки дома, а не возиться с её добычей на Пандоре.
Учитывая, что даже на доставку одних только людей тратится уйма энергии, представляется разумным набирать в космонавты ребят помельче и полегче. Например, пигмеев или андаманцев. Можно было бы набирать в космонавты карликов, подобно тому как во время Второй Мировой на авиационном производстве Willow Run в США карлики помогали собирать бомбардировщики В-24, забираясь в отсеки в крыльях, труднодоступные для людей обычного роста. Для них даже были построены отдельные жилые помещения меньшего размера чем обычно и с маленькой мебелью. А то и вовсе можно было бы изобразить каких-нибудь специально выращенных генно-модифицированных низкорослых людей, которые с рождения до смерти обречены служить корпорации RDA на кораблях и в колонии на Пандоре - их отправляют в один конец, а обратно с Пандоры не возвращают, за ненадобностью на Земле. Эдакий гибрид между пилотами Кланов из вселенной "BattleTech" и обречёнными вечно воевать лётчиками-детьми из аниме "Sky Crawlers". Если же надо доставить на Пандору натурального полноразмерного деятеля, который бы возглавлял весь этот боевой детский сад и его подразделения - например, какого-нибудь менеджера али учёного, вроде Грейс Огустин - то отправляют женщин, так как они в среднем меньше и легче мужчин. Или можно отправлять на Пандору только записи памяти, а тела выращивать уже в колонии и загружать воспоминания туда, как это сделали с полковником и его шайкой. Сколько драмы можно было бы накрутить вокруг всего этого в фильме! Но создатели кина упустили такую возможность.
Производство на стереолитографических станках также вызывает сомнения. Во-первых, это энергетически весьма затратно, во-вторых, прочность получаемых изделий будет гораздо выше чем при традиционном производстве из-за более упорядоченной структуры материала. Это означает, что техника, здания и прочие предметы значительно отличались бы по конструкции от того, что показано в фильме - оно было бы гораздо более стройным и ажурным, с одной стороны, особенно учитывая на 20% меньшую силу тяжести на Пандоре, а с другой - едва ли бы выводилось из строя так легко. Пробить стекло вертолёта стрелой из лука могло бы стать непосильной задачей для НаВи.
События первого фильма на Пандоре разворачиваются в 2154 году, во втором фильме - где-то 10-15 лет спустя. В первом фильме между Пандорой и Землёй постоянно курсируют 12 звездолётов, из которых 9 - типа ISV Capital Star. На полёт в одну сторону уходит 6.75 лет по часам Земли, для экипажа проходит около 5 лет из-за релятивистских эффектов. На разгон с ускорением 1.5G уходят 5.5 месяцев, и столько же на торможение у Пандоры, остальное время корабль летит со скоростью 0.7 от скорости света, то есть 209854720.6 м/с. В сторону Пандоры корабль с помощью солнечного паруса разгоняется лазером с Земли, а тормозится на подлёте к Пандоре с помощью двух ракетных двигателей на энергии аннигиляции водорода и антиводорода. На орбите Пандоры он остаётся в течении года, водородом и антиводородом заправляется из атмосферы Полифема. В обратную сторону он летит те же 6.75 лет, но разгоняется 5.5 месяцев ракетными двигателями, а тормозится на подлёте к Земле лазером, освещающим парус.
Итого вырисовывается конвейер: пока один корабль находится на орбите Пандоры, а другой на орбите Земли, пять кораблей летят к Пандоре, а другие пять - к Земле. Получается, что в год надо разгонять один корабль и тормозить другой.
О массе конструкции корабля данных нет, известно лишь, что в длину он 1646 метров, сделан из углеродных нанотрубок и других прочных неметаллов, максимально облегчён, и может поддерживать свою форму только вне атмосфер в невесомости. Судя по его внешнему виду, его конструкция работает в основном на растяжение, что и позволяет её облегчить. Это некое подобие гоночных каров из "Звёздные войны: скрытая угроза", где вместо жёсткого корпуса - натянутые тросы, на которых двигатели тянут кабину пилота. Однако известно, что на борту 25 членов экипажа, 200 пассажиров, 350 тонн груза и 2 шаттла "Валькирия". Из этого и буду исходить в расчётах.
Но сначала о том, сколько энергии потребляет человечество. Согласно прогнозу, в 2050 году мощность, потребляемая людьми, составит 28 тераватт. Имеется ввиду вся мощность, а не только электричество, вырабатываемое электростанциями. Учитывая что 1 ватт - это 1 джоуль в секунду, нетрудно подсчитать, что за год получится потребление 883 х 10 ^18 джоулей. Т.е. 883 и 18 нулей.
Примем среднюю массу человека на борту ISV Capital Star за 80 килограмм. Тогда масса 225 человек на борту составляет 18 тонн. Их кинетическая энергия в полёте на скорости 0.7С составляет без малого 396 х 10 ^ 18 Джоулей. То есть почти половина прогнозируемого годового потребления энергии в 2050 году. И эту энергию нужно передать лазером с Земли на корабль за 5.5 месяцев разгона. А потом ещё столько же передать за 5.5 месяцев во время торможения. Учитывая, что КПД лазера и всей обеспечивающей его инфраструктуры не 100%, реальное потребление энергии ещё больше. То есть только на то, чтобы разогнать и затормозить людей на борту одного звездолёта, нужно за год потратить примерно столько же или даже больше энергии, чем человечество будет потреблять в 2050 году. И примерно столько же выделяют аннигиляционные ракетные двигатели корабля во время разгона и торможения одних только людей.
Полезная нагрузка составляет 350 тонн. На Пандору отправляют трижды резервированные хранилища данных для стереолитографических станков, производящих большую часть всего необходимого колонистам, сами эти станки, если надо, а также наиболее сложные миниатюрные компоненты, которые невозможно или очень сложно произвести на Пандоре. Обратно отправляют анобтаниум, хранилища данных, содержащие сведения о химических соединениях, обнаруженных на Пандоре и могущих представлять интерес для синтеза и применения на Земле, а также сувениры НаВи, продаваемые коллекционерам за бешенные деньги. 350 тонн - это в 19.44 раз больше, чем оценочная масса людей на борту, соответственно, во столько же раз больше надо затратить энергии.
Про шаттлы "Валькирия" известно, что грузоподъёмность каждого 35 тонн, сделаны они из чрезвычайно лёгких и прочных неметаллических композитов, которые в 4 раза легче сплавов, из которых делали предшествующие шаттлы. Масса конструкции не указана. Можно попытаться грубо её прикинуть. Масса челнока "Спейс Шаттл" 80 тонн при грузоподъёмности 27. Да, поднимает он не один, а в составе системы массой 2000 тонн, но у "Валькирии" термоядерные реактивные двигатели, которые многократно эффективнее химических на водороде у "Спейс Шаттл". 35/27 = 1.3, 1.3 х 80 = 104 тонны. Сокращаем это в 4 раза - получается 26 тонн. Сократим это вдвое, так как предшественники "Валькирии" - это всё же не "Спейс Шаттл", а некие челноки середины XXI века, несомненно более совершенные. Итого получаются очень скромные 13 тонн. Две "Валькрии" - 26 тонн. Затраты энергии на них в 1.56 раз больше, чем на людей на борту.
Какова масса самого корабля? Масса международной космической станции длиною 100 метров - около 400 тонн. Масса стальной Эйфелевой башни, размеры которой несколько меньше конической фермы в центре корабля - 7300 тонн. Корабль сделан из углеродных нанотрубок, и его конструкция работает на растяжение. Полагаю, можно очень грубо оценить массу корабля в 1000 тонн - всё же там есть несколько щитов, радиаторы и аннигиляционные ракетные двигатели. И тогда на его разгон и торможение будет тратиться в 55.56 раз больше, чем на людей на борту.
Итого: в год надо передать с Земли на корабли в 69.56 раз больше энергии, чем по прогнозу будет потреблять человечество в 2050 году, а потратить ещё больше, поскольку КПД лазера не 100%. И столько же выделяется аннигиляционными движками. Сколько человечество будет потреблять энергии в 2154 году, когда Джейк Салли прибывает на Пандору? Если прирост потребления энергии будет составлять 5% в год по сравнению с предыдущим, как сегодня, то за 104 года, прошедшие с 2050 потребление вырастет в ~160 раз. То есть одна только работа лазеров для межзвёздных парусников съест половину общего потребления энергии на Земле в 2154. Если возвращение на Пандору состоялось спустя 15 лет, в 2169, то потребление энергии удвоилось, и стало в 332 раз больше чем в 2050, но при этом земляне запустили к Пандоре сразу 10-12 кораблей, и у них на борту был десант из громадных бульдозеров и пехоты в шагоходах. На разгон такой армады должно было уйти более чем в 350 раз больше энергии чем годовое потребление в 2050, то есть тут бюджет уже не сходится, или человеки напрягли неимоверные усилия, чтобы заслать на Пандору своих гнусных псов империализма, и подкреплений с Земли для армии вторжения на Пандору долго не предвидится. Учитывая, что один корабль несёт 225 человек, на 12 кораблях прибыло 2700 человек, против неустановленного количества аборигенов Пандоры, которые уже разжились земным оружием и продолжают это делать в своих вылазках.
И такие затраты энергии ради всего лишь высокотемпературного сверхпроводника анобтаниума? Скорее уж земляне бы потратили такой энергетический бюджет на строительство ускорителей, создающих из лёгких элементов более тяжёлые, вроде отечественного ДЦ-280, но более продвинутых, производящих в промышленных масштабах всякие редкоземельные элементы и трансурановую экзотику с "острова стабильности". Во втором фильме в качестве основного ресурса Пандоры ввели "эликсир бессмертия", добываемый из местных китов тулкунов. Это, несомненно, более заманчивая штука, могущая сподвигнуть сверхкрупных денежных мешков на безумство. Однако из описания ISV Capital Star следует, что структуру открытых на Пандоре органических соединений изучают, записывают и отправляют на Землю, и те соединения, которые признаются полезными, синтезируют на Земле. То есть в принципе можно было бы наладить производство этой штуки дома, а не возиться с её добычей на Пандоре.
Учитывая, что даже на доставку одних только людей тратится уйма энергии, представляется разумным набирать в космонавты ребят помельче и полегче. Например, пигмеев или андаманцев. Можно было бы набирать в космонавты карликов, подобно тому как во время Второй Мировой на авиационном производстве Willow Run в США карлики помогали собирать бомбардировщики В-24, забираясь в отсеки в крыльях, труднодоступные для людей обычного роста. Для них даже были построены отдельные жилые помещения меньшего размера чем обычно и с маленькой мебелью. А то и вовсе можно было бы изобразить каких-нибудь специально выращенных генно-модифицированных низкорослых людей, которые с рождения до смерти обречены служить корпорации RDA на кораблях и в колонии на Пандоре - их отправляют в один конец, а обратно с Пандоры не возвращают, за ненадобностью на Земле. Эдакий гибрид между пилотами Кланов из вселенной "BattleTech" и обречёнными вечно воевать лётчиками-детьми из аниме "Sky Crawlers". Если же надо доставить на Пандору натурального полноразмерного деятеля, который бы возглавлял весь этот боевой детский сад и его подразделения - например, какого-нибудь менеджера али учёного, вроде Грейс Огустин - то отправляют женщин, так как они в среднем меньше и легче мужчин. Или можно отправлять на Пандору только записи памяти, а тела выращивать уже в колонии и загружать воспоминания туда, как это сделали с полковником и его шайкой. Сколько драмы можно было бы накрутить вокруг всего этого в фильме! Но создатели кина упустили такую возможность.
Производство на стереолитографических станках также вызывает сомнения. Во-первых, это энергетически весьма затратно, во-вторых, прочность получаемых изделий будет гораздо выше чем при традиционном производстве из-за более упорядоченной структуры материала. Это означает, что техника, здания и прочие предметы значительно отличались бы по конструкции от того, что показано в фильме - оно было бы гораздо более стройным и ажурным, с одной стороны, особенно учитывая на 20% меньшую силу тяжести на Пандоре, а с другой - едва ли бы выводилось из строя так легко. Пробить стекло вертолёта стрелой из лука могло бы стать непосильной задачей для НаВи.