Год 2057 - гравитационные электростанции ледяных лун планет-гигантов
Year 2057 - gravitational power plants on icy moons of the giant planets
Есть в науке такое понятие как «мысленный эксперимент». Иногда его путают с научной фантастикой, т.к. грань здесь действительно тонкая. Типичный мысленный эксперимент - это когда, например, Циолковский рассуждает о восхождении на башню высотой 35 тыс. км или анализирует транспортную систему, основу которой составляет эстакада на столбах высотой 100 км. Почему это пишу? Да, просто среди читателей есть люди, которые неверно воспринимают мысленные эксперименты. А собираюсь сейчас поставить здесь в своем блоге как раз такой мысленный эксперимент. Поэтому делаю предупреждение таким пафосным блюстителям реализма, что бы поберегли свои нервы и зря не портили свой желчный пузырь.
В предыдущем посте я описывал схему работы космического аппарата-накопителя лунного сырья. В тексте много циферок и буковок. В общем, скучноватый текст для рядовых любителей космического прогресса. Вот потому, для улучшения восприятия большей части аудитории, центральную идею статьи о гравитационной катапульте изложу максимально упрощенно через масштабный мысленный эксперимент на Луне. Многие технари не могут мыслить абстрактно, поэтому добавим в мысленный эксперимент конкретики и замутим его до состояния научной фантастики, а если получится, то низведем его уровня фэнтази. Впрочем, последнее возможно при активном участии читателей. Так что не спите, «френды».
Итак, перенесемся в год 2057-й. Достаточно далеко, что бы помыслить возможным невозможное. Говорят, к этому времени мы пройдем технологическую сингулярность, и потому все мыслимое станет реальным. Это для лиц без абстрактного мышления. К этому году на Луне будет построена транспортная линия, оснащенная линейным электроприводом и магнитным подвесом, предназначенная для разгона и торможения грузовых капсул. Нечто подобное, я и мои коллеги из НПИ (кафедра «Электрические машины и аппараты») проектировали в 80-х годах, только для Земли. Расчетная скорость капсул здесь была 8000 м/с. Лунная путевая структура 2057 года отличается от земного прототипа 1989 года отсутствием вакуумного трубопровода - на Луне и так есть свой вакуум, так что можно обойтись без искусственного. Поэтому она не нуждается в размещении в трубе, а имеет вид эстакады. В остальных чертах лунная электромагнитная суперскоростная дорога такая же, как её земной прототип. Дорога длинная, прямая, протягивается по лунному экватору где-то на четверть его длины или больше.
Луна к 2057 году имеет достаточно большое население и, соответственно, имеет развитую систему энергоснабжения колоний. В этот же период начался так же процесс колонизации спутников Юпитера, Сатурна, Урана и Нептуна, а так же относительно недавно открытых (в 2017 г.) планет-гигантов из пояса Койпера. На этих мирах, колонистам уже сложно пользоваться фотоэлектрическими преобразователям солнечного света, поэтому, наряду с ядерными источниками энергии, здесь колонисты собираются использовать гравитационные генераторы, более дешевые и эффективные. Так вот, чтобы колонии дальних ледяных миров могли использовать запасы энергии, запасенной в гравитационных полях планет-гигантов, на Луне построен опытный экземпляр гравитационной электростанции. И основой этой электростанции является электромагнитная дорога, по которой разгоняются и стартуют в космос, и на которую садятся и тормозятся космические грузовые аппараты. Удивительная особенность этой дороги в том, что стартующие и совершающие посадки космические аппараты (КА) двигаясь по этой дороге, не потребляют энергию, а производят её. Иначе говоря, аппараты, совершающие посадку на электрофицированную эстакаду и тормозящиеся на ней, используя линейный электропривод в качестве линейного электрогенератора, производят электроэнергию в количестве превышающей затраты на запуск этих же аппаратов с эстакады в космос. И этот эффект превращает дорогу в электростанцию для селенитов.
Как работает такая энергосистема? Смотрим сюда. Один из участков дороги служит для разгона капсул до скорости около 2,4 км/с. На этом участке капсулы разгоняются одна за другой с небольшим интервалом. Где-то на середине дороги капсулы сходят с эстакады и по касательной к поверхности Луны уходят за пределы её сферы действия.
Покинув Луну, капсулы, тем не менее, не уходят в межпланетное пространство, а остаются в пределах сферы действия Земли. Они переходят на эллиптическую орбиту. Апогей этой орбиты находится выше орбиты Луны. Перигей проходит очень близко от поверхности Земли: на высоте 120-150 км.
В перигее, под действием гравитационного поля Земли, капсулы получают максимальную скорость, которая достигает 11 км/с. На капсулах установлены реактивные двигатели. И как только значение скорости капсулы достигает максимального значения, двигатели включаются и дополнительно разгоняют капсулу. Скорость капсулы увеличивается на 2 км/с. Результирующая скорость равна 13 км/с.
Это действие называется маневром Оберта (Oberth maneuver). Он назван так в честь Германа Оберта, который впервые описал его и показал энергетическую выгоду от его применения. Называют его еще гравитационным маневром или активным пертурбационным маневром. Смысл в его использовании в том, что после разгона в перигее, капсулы возвращаются на Луну со скоростью намного большей, чем скорость их отлета с окололунной орбиты.
После возвращения кинетическая энергия капсул становится больше. В данном случае, на границе сферы действия Луны скорость капсул составит 6,93 км/с. Но Луна движется и кроме того капсулы получат дополнительное ускорение в лунном гравитационном поле при падении на поверхность Луны. С учетом орбитальной скорости Луны и ускорения в гравитационном поле капсулы при падении на лунную поверхность будут иметь скорость 7,464 км/с. Падение происходит по касательной и направлено вдоль эстакады. Поскольку вертикальная оставляющая снижения невысока, то при использовании коррекционных двигателей посадка капсул на эстакаду не представляет особой сложности, тем более, что события происходят в 2057 году.
Итак, при старте с эстакады скорость капсул составляла около 2,4 км/с, а при посадке, после облета Земли с маневром Оберта, составляет почти 7,5 км/с. Правда, капсулы немного похудели - часть их массы составляло топливо, которое было потрачено на маневр Оберта. В случае использования кислородно-водородного топлива, затраты топлива не превысят 40% стартовой массы. Если же вместо водорода будет использоваться углеводородное горючее, то затраты топлива не превысят 50%. Таким образом, кинетическая энергия похудевшей капсулы будет превышать энергию капсулы при запуске. Кто не верит, может проверить: 1 кг х (2400 м/с)2/2 = 2,88 МДж; 0,5 кг х (7500 м/с)2/2 = 14 МДж, т.е. полученная энергия в 4,9 раз превышает затраченную. Каждый мегаджоуль вложенный в запуск капсулы приносит почти 400% отдачи при возращении капсулы на Луну - финансовые олигархи удавятся от зависти! Поэтому, если запуск капсул для облета Земли и их прием на эстакаду после облета производятся регулярно, без пауз, то запуск капсул будет обеспечиваться полностью той энергией, которую генерируют на эстакаде возвращаемые капсулы. Мощность такой системы подсчитать не трудно, что и предлагается сделать читателям самостоятельно, в качестве домашнего задания.
Лунным колонистам, такая гравитационная станция особо не нужна - здесь достаточно высокая плотность солнечной энергии, что бы использовать фотоэлектрические преобразователи, произведенные из местного лунного сырья. А вот колонистам на лунах планет-гигантов и планет пояса Койпера, такая электростанция очень даже кстати. Нет нужды в использовании реакций деления и/или ядерного синтеза, что бы обеспечить колонизаторов ледяных миров светом и теплом. Делящиеся материалы надо еще найти в этих темных мирах, а гравитационной энергии там изобилие.
Вот, к примеру, как может выглядеть гравитационная электростанция на орбите Юпитера. Здесь колонию с пуско-посадочной эстакадой выгодно размещать как можно дальше от Юпитера, практически на границе сферы действия. В этой области много небольших ледяных лун. Тогда старт в сторону Юпитера потребует минимальной скорости. Когда в перицентре орбиты вокруг Юпитера скорость капсул составит 50 км/с, при апоцентре орбиты на высоте в 100 тысяч км от центра планеты, то сообщение им приращения скорости (dV) в 5 км/с (за счет ракетных двигателей), даст скорость капсул при возращении на базу в размере 22.9 км/с. Так же очень хорошо будут работать гравитационные электростанции на лунах Сатурна, Урана, Нептуна. И пока человечество не овладеет секретами использования термоядерного синтеза для производства электроэнергии, эти гравитационные электрогенераторы будут нести службу на окраинах Солнечной системы.
Полагаю, что концепция использования грандиозных запасов механической энергии лун в гравитационных полях планет изложена достаточно ясно. Поэтому, автор надеется, что пока дело дойдет по освоения ледяных миров, этот пример поможет понять смысл концепции орбитальных коллекторов вещества Луны и Земли, работа которых полностью основана на использовании энергии, запасенной в гравитационном поле системы Земля-Луна. Или некоторым амбиции мешают принять эту концепцию на службу космонавтике? Ну, тогда если космонавтике не по нраву мой проект, то есть ведь еще астронавтика с тайконавтикой на горизонте. Стоит ли жмурить глаза и надувать щеки? Конкуренцию в космосе ведь никто не отменял. Империи приходят и уходят, а изобретатели остаются.
Что касается колонизации Марса, то такие генераторы электроэнергии будут выгодны на Фобосе и Деймосе. Даровая электроэнергия и другие эффекты помогут в утилизации вещества марсианских спутников, благодаря которому вокруг Марса и в Солнечной системе появятся форпосты цивилизации: большие орбитальные станции с искусственной силой тяжести и надежной защитой от космической радиации.
Перепост на МарсТракторе
Есть в науке такое понятие как «мысленный эксперимент». Иногда его путают с научной фантастикой, т.к. грань здесь действительно тонкая. Типичный мысленный эксперимент - это когда, например, Циолковский рассуждает о восхождении на башню высотой 35 тыс. км или анализирует транспортную систему, основу которой составляет эстакада на столбах высотой 100 км. Почему это пишу? Да, просто среди читателей есть люди, которые неверно воспринимают мысленные эксперименты. А собираюсь сейчас поставить здесь в своем блоге как раз такой мысленный эксперимент. Поэтому делаю предупреждение таким пафосным блюстителям реализма, что бы поберегли свои нервы и зря не портили свой желчный пузырь.
В предыдущем посте я описывал схему работы космического аппарата-накопителя лунного сырья. В тексте много циферок и буковок. В общем, скучноватый текст для рядовых любителей космического прогресса. Вот потому, для улучшения восприятия большей части аудитории, центральную идею статьи о гравитационной катапульте изложу максимально упрощенно через масштабный мысленный эксперимент на Луне. Многие технари не могут мыслить абстрактно, поэтому добавим в мысленный эксперимент конкретики и замутим его до состояния научной фантастики, а если получится, то низведем его уровня фэнтази. Впрочем, последнее возможно при активном участии читателей. Так что не спите, «френды».
Итак, перенесемся в год 2057-й. Достаточно далеко, что бы помыслить возможным невозможное. Говорят, к этому времени мы пройдем технологическую сингулярность, и потому все мыслимое станет реальным. Это для лиц без абстрактного мышления. К этому году на Луне будет построена транспортная линия, оснащенная линейным электроприводом и магнитным подвесом, предназначенная для разгона и торможения грузовых капсул. Нечто подобное, я и мои коллеги из НПИ (кафедра «Электрические машины и аппараты») проектировали в 80-х годах, только для Земли. Расчетная скорость капсул здесь была 8000 м/с. Лунная путевая структура 2057 года отличается от земного прототипа 1989 года отсутствием вакуумного трубопровода - на Луне и так есть свой вакуум, так что можно обойтись без искусственного. Поэтому она не нуждается в размещении в трубе, а имеет вид эстакады. В остальных чертах лунная электромагнитная суперскоростная дорога такая же, как её земной прототип. Дорога длинная, прямая, протягивается по лунному экватору где-то на четверть его длины или больше.
Луна к 2057 году имеет достаточно большое население и, соответственно, имеет развитую систему энергоснабжения колоний. В этот же период начался так же процесс колонизации спутников Юпитера, Сатурна, Урана и Нептуна, а так же относительно недавно открытых (в 2017 г.) планет-гигантов из пояса Койпера. На этих мирах, колонистам уже сложно пользоваться фотоэлектрическими преобразователям солнечного света, поэтому, наряду с ядерными источниками энергии, здесь колонисты собираются использовать гравитационные генераторы, более дешевые и эффективные. Так вот, чтобы колонии дальних ледяных миров могли использовать запасы энергии, запасенной в гравитационных полях планет-гигантов, на Луне построен опытный экземпляр гравитационной электростанции. И основой этой электростанции является электромагнитная дорога, по которой разгоняются и стартуют в космос, и на которую садятся и тормозятся космические грузовые аппараты. Удивительная особенность этой дороги в том, что стартующие и совершающие посадки космические аппараты (КА) двигаясь по этой дороге, не потребляют энергию, а производят её. Иначе говоря, аппараты, совершающие посадку на электрофицированную эстакаду и тормозящиеся на ней, используя линейный электропривод в качестве линейного электрогенератора, производят электроэнергию в количестве превышающей затраты на запуск этих же аппаратов с эстакады в космос. И этот эффект превращает дорогу в электростанцию для селенитов.
Как работает такая энергосистема? Смотрим сюда. Один из участков дороги служит для разгона капсул до скорости около 2,4 км/с. На этом участке капсулы разгоняются одна за другой с небольшим интервалом. Где-то на середине дороги капсулы сходят с эстакады и по касательной к поверхности Луны уходят за пределы её сферы действия.
Покинув Луну, капсулы, тем не менее, не уходят в межпланетное пространство, а остаются в пределах сферы действия Земли. Они переходят на эллиптическую орбиту. Апогей этой орбиты находится выше орбиты Луны. Перигей проходит очень близко от поверхности Земли: на высоте 120-150 км.
В перигее, под действием гравитационного поля Земли, капсулы получают максимальную скорость, которая достигает 11 км/с. На капсулах установлены реактивные двигатели. И как только значение скорости капсулы достигает максимального значения, двигатели включаются и дополнительно разгоняют капсулу. Скорость капсулы увеличивается на 2 км/с. Результирующая скорость равна 13 км/с.
Это действие называется маневром Оберта (Oberth maneuver). Он назван так в честь Германа Оберта, который впервые описал его и показал энергетическую выгоду от его применения. Называют его еще гравитационным маневром или активным пертурбационным маневром. Смысл в его использовании в том, что после разгона в перигее, капсулы возвращаются на Луну со скоростью намного большей, чем скорость их отлета с окололунной орбиты.
После возвращения кинетическая энергия капсул становится больше. В данном случае, на границе сферы действия Луны скорость капсул составит 6,93 км/с. Но Луна движется и кроме того капсулы получат дополнительное ускорение в лунном гравитационном поле при падении на поверхность Луны. С учетом орбитальной скорости Луны и ускорения в гравитационном поле капсулы при падении на лунную поверхность будут иметь скорость 7,464 км/с. Падение происходит по касательной и направлено вдоль эстакады. Поскольку вертикальная оставляющая снижения невысока, то при использовании коррекционных двигателей посадка капсул на эстакаду не представляет особой сложности, тем более, что события происходят в 2057 году.
Итак, при старте с эстакады скорость капсул составляла около 2,4 км/с, а при посадке, после облета Земли с маневром Оберта, составляет почти 7,5 км/с. Правда, капсулы немного похудели - часть их массы составляло топливо, которое было потрачено на маневр Оберта. В случае использования кислородно-водородного топлива, затраты топлива не превысят 40% стартовой массы. Если же вместо водорода будет использоваться углеводородное горючее, то затраты топлива не превысят 50%. Таким образом, кинетическая энергия похудевшей капсулы будет превышать энергию капсулы при запуске. Кто не верит, может проверить: 1 кг х (2400 м/с)2/2 = 2,88 МДж; 0,5 кг х (7500 м/с)2/2 = 14 МДж, т.е. полученная энергия в 4,9 раз превышает затраченную. Каждый мегаджоуль вложенный в запуск капсулы приносит почти 400% отдачи при возращении капсулы на Луну - финансовые олигархи удавятся от зависти! Поэтому, если запуск капсул для облета Земли и их прием на эстакаду после облета производятся регулярно, без пауз, то запуск капсул будет обеспечиваться полностью той энергией, которую генерируют на эстакаде возвращаемые капсулы. Мощность такой системы подсчитать не трудно, что и предлагается сделать читателям самостоятельно, в качестве домашнего задания.
Лунным колонистам, такая гравитационная станция особо не нужна - здесь достаточно высокая плотность солнечной энергии, что бы использовать фотоэлектрические преобразователи, произведенные из местного лунного сырья. А вот колонистам на лунах планет-гигантов и планет пояса Койпера, такая электростанция очень даже кстати. Нет нужды в использовании реакций деления и/или ядерного синтеза, что бы обеспечить колонизаторов ледяных миров светом и теплом. Делящиеся материалы надо еще найти в этих темных мирах, а гравитационной энергии там изобилие.
Вот, к примеру, как может выглядеть гравитационная электростанция на орбите Юпитера. Здесь колонию с пуско-посадочной эстакадой выгодно размещать как можно дальше от Юпитера, практически на границе сферы действия. В этой области много небольших ледяных лун. Тогда старт в сторону Юпитера потребует минимальной скорости. Когда в перицентре орбиты вокруг Юпитера скорость капсул составит 50 км/с, при апоцентре орбиты на высоте в 100 тысяч км от центра планеты, то сообщение им приращения скорости (dV) в 5 км/с (за счет ракетных двигателей), даст скорость капсул при возращении на базу в размере 22.9 км/с. Так же очень хорошо будут работать гравитационные электростанции на лунах Сатурна, Урана, Нептуна. И пока человечество не овладеет секретами использования термоядерного синтеза для производства электроэнергии, эти гравитационные электрогенераторы будут нести службу на окраинах Солнечной системы.
Полагаю, что концепция использования грандиозных запасов механической энергии лун в гравитационных полях планет изложена достаточно ясно. Поэтому, автор надеется, что пока дело дойдет по освоения ледяных миров, этот пример поможет понять смысл концепции орбитальных коллекторов вещества Луны и Земли, работа которых полностью основана на использовании энергии, запасенной в гравитационном поле системы Земля-Луна. Или некоторым амбиции мешают принять эту концепцию на службу космонавтике? Ну, тогда если космонавтике не по нраву мой проект, то есть ведь еще астронавтика с тайконавтикой на горизонте. Стоит ли жмурить глаза и надувать щеки? Конкуренцию в космосе ведь никто не отменял. Империи приходят и уходят, а изобретатели остаются.
Что касается колонизации Марса, то такие генераторы электроэнергии будут выгодны на Фобосе и Деймосе. Даровая электроэнергия и другие эффекты помогут в утилизации вещества марсианских спутников, благодаря которому вокруг Марса и в Солнечной системе появятся форпосты цивилизации: большие орбитальные станции с искусственной силой тяжести и надежной защитой от космической радиации.
Перепост на МарсТракторе