Migliore risposta
Immagino che il tipo di astronave di cui parli sia i primi tipi dellera spaziale. Quindi aggrappati ai tuoi sedili, autopompe e prega che non ti sbalordisca … Ok, sto solo scherzando.
UNCF Stiletto
IJCF Kensai
Il sottosistema più importante su unastronave è motori. Grandi motori chimici e / o propulsori a impulsi ionici. Se questultimo è presente, è necessaria una fonte di alimentazione. Sarebbe sufficiente un reattore a fissione di anidride carbonica ad alta temperatura. È il più importante perché senza un motore, la nave sarebbe solo una carcassa di metallo.
Se la nave spaziale trasporterà equipaggio, cioè nave con equipaggio, quindi la prossima cosa più importante sarebbero i sistemi di supporto vitale. Ciò include i sistemi di generazione e riciclaggio dellossigeno, cibo sufficiente per il viaggio e sistemi di osmosi inversa per lacqua. Il supporto vitale includerebbe anche schermature contro le radiazioni, come laerogel per proteggere lequipaggio dalle radiazioni interplanetarie e dai venti solari. Forse funzionerebbe anche un campo magnetico generato intorno alla nave utilizzando superconduttori.
Anche i radiatori di calore sono importanti perché impediscono al calore di accumulandosi sulla nave e uccidendo tutti. Questo perché nello spazio è un vuoto. Il calore non può essere portato via o convogliato come sulla Terra. Possono irradiare solo calore e il modo migliore per farlo è estendere enormi matrici di radiatori per eliminare tutto il calore in eccesso dallimbarcazione.
Il prossimo sistema sarebbe il settore dei comandi. Fondamentalmente il pozzetto o la plancia. Qui è dove lintera nave verrà requisita dal suo capitano. In genere, questa sezione andrebbe bene nella nave per proteggere il capitano dai detriti spaziali, il che mi porta al prossimo importante sistema.
Larmatura è importante su unastronave, anche sulle navi civili. Questo per proteggere lequipaggio e, cosa più importante, il carico (yay capitalisti) dallessere scaricato nel vuoto a causa di una breccia nello scafo a causa di detriti spaziali / polvere. Vedi, i detriti possono essere piccoli, ma qualsiasi cosa che viaggia a 5 ++ chilometri al secondo ti colpisce. Un sacco. Nessuna eccezione per le navi.
Se la missione è a lungo raggio, è necessario un alloggio per lequipaggio. Questo è il posto in cui lequipaggio può riposare e ricreare. Dovrebbe includere gravità artificiale, zone notte (centrifughe), una mensa, doccia e servizi igienici. Praticamente tutto ciò di cui hai bisogno per evitare di annoiarti o morire nel volo di 600 giorni per Europa.
Queste sono le basi sono necessarie per unastronave ma, come le alimentiamo ??
Semplice. Sullo scafo della nave possono essere installati pannelli solari, progettati per estendersi quando non si trovano allombra dei corpi celesti. Fornisce energia sufficiente per tutto ciò che accade (si spera) e lalimentazione è gratuita.
Ok, questi sono termosifoni ma tu Ottieni il punto.
Oppure, se il consumo di energia della nave è assurdamente alto, ad esempio una nave militare, o i tuoi pannelli solari sono stati appena fatti saltare in aria dalla polvere spaziale, anche un reattore nucleare andrebbe bene. Deve essere inclusa anche la schermatura ai neutroni, senza di essa la schermatura dalla radiazione solare sarebbe inutile. I reattori nucleari a fissione sono gli unici disponibili al momento, quindi rimarremo con loro. Pertanto, un vano di carico (ovviamente schermato) sarà riservato a materiale fissile come il plutonio o il torio.
Per una nave da trasporto civile, questo è tutto ciò di cui hai bisogno. Forse il capitano vuole un bordello a bordo, chi lo sa? Questo è il problema dei nostri discendenti. Tuttavia, se vuoi una nave militare da pattuglia spaziale … Beh, questa è unaltra storia per unaltra volta!
Risposta
Perché una città spaziale funzioni, una vera e propria, dovrebbe essere completamente autosufficiente, riciclando tutta la sua aria, acqua, rifiuti e immondizia, trasferendo solo persone ed energia. Non abbiamo ancora imparato bene come farlo, ma ci stiamo avvicinando. Ecco la matematica che mostra come potrebbe funzionare:
Un essere umano che vive uno standard di vita americano consuma 300 litri di acqua al giorno, 2800 calorie di cibo e quasi 0,1 kg di ossigeno al giorno. Oltre a questo, per svolgere le nostre attività quotidiane, utilizziamo circa 300 kW / h di elettricità. Ora equiparando tutto questo, e poiché la navicella è un sistema a ciclo chiuso, supponendo che lenergia sia utilizzata per desalinizzare lacqua, filtrare lacqua, elaborare i rifiuti, coltivare cibo, pulire laria e generare elettricità, arriviamo a ogni persona che ha bisogno di una fonte che emetta 91 kW di potenza.Questo numero si ottiene utilizzando le seguenti efficienze:
Purificazione dellacqua: 100\%
Generazione alimentare: 1\%
Generazione di ossigeno: 100\%
Generazione di elettricità: 30\%
Ora, poiché la colonia sta viaggiando tra le stelle e per ridurre al minimo la quantità di energia necessaria per sostenere la colonia tra i sistemi stellari, dovrà viaggiare a una frazione apprezzabile della velocità della luce. Usando lenergia nucleare delle bombe nucleari, questo è stato esplorato nel progetto Orion, che ha scoperto che avrebbe accelerato unastronave all1\% -4\% della velocità della luce usando lenergia nucleare. Per raggiungere Alpha Centauri, che dista 4,5 anni luce, ci vorrebbero dai 150 ai 450 anni per arrivarci dal Sistema Solare. Quindi, ciò significa che per persona nella colonia, richiederebbe 1,29 PJ o 1290 TJ. Se viene utilizzata la fissione delluranio, con un reattore nucleare che utilizza il ritrattamento del combustibile esaurito e dellenergia dai radioisotopi, si arriva a una massa minima di 16,5 kg di uranio per persona, da utilizzare solo nel supporto vitale.
Successivamente, vengono le dimensioni degli alloggi, degli impianti di produzione alimentare, degli impianti di trattamento dellacqua e degli impianti di trattamento dellaria, per non parlare della propulsione primaria e della struttura della colonia. Per avere una nave di dimensioni confortevoli, ogni persona avrebbe bisogno di accedere a circa 2000 piedi quadrati o 200 metri quadrati di spazio vitale. La produzione di cibo può essere il 10\% di quello spazio e può anche servire come un buon punto di relax e riposo. (Il motivo per cui questo può essere fatto è che con lagricoltura verticale lo spazio 3D viene utilizzato per produrre cibo, riducendo limpronta nellarea). Il trattamento dellacqua e dellaria possono essere effettuati parzialmente nellarea di produzione alimentare, ma anche in unarea separata della colonia, occupando altri 100 metri quadrati.
Ora veniamo alla massa della nave. Per questo, abbiamo bisogno di alcuni dati di potenza specifici per calcolarlo rapidamente. Di seguito sono riportate le potenze specifiche correnti per i vari sistemi, insieme alla percentuale di potenza utilizzata per ciascuna funzione:
Elaborazione acqua: 1 kW / kg, consumo energetico Percentuale: 39,3\% Consumo energetico: 35,8 kW
Produzione alimentare: 100 W / kg, Percentuale consumo energetico: 14,9\% Consumo energetico: 13,59 kW
Elaborazione aria: 1 kW / kg, percentuale di consumo energetico: 0,01\% Consumo energetico: 0,0101 kW
Consumo di elettricità: 1 kW / kg, Percentuale di consumo energetico: 45,7\% Consumo di energia: 41 kW
Il supporto vitale totale la massa arriva a 91,01 kg a persona. Ora, la massa dellimpianto di generazione di energia è elevata, perché lattuale tecnologia di schermatura dei reattori ha un rapporto di potenza specifico molto pietoso. Gli attuali reattori nucleari (anche quelli realizzati per operazioni spaziali) hanno una potenza specifica di 1 W / kg, quindi per persona, lapparecchiatura di generazione elettrica / generazione di energia aggiunge altri 91.000 kg di massa. Anche cibo, acqua e aria aggiungono massa aggiuntiva, arrivando a 1122 kg di acqua, 1 kg di cibo e 1 kg di aria.
Quindi, per persona, la massa della colonia arriva a:
1122 kg di acqua
1 kg di cibo
1 kg di aria
91,1 kg di apparecchiature per il trattamento dellacqua, la produzione di cibo, il trattamento dellaria e il consumo di elettricità
91.000 kg di apparecchiature per la produzione di elettricità
16,5 kg di combustibile a base di uranio
Per un totale di 92.231 kg di equipaggiamento per persona a bordo della nave. Ora, per progettare la nave stessa, userò lequazione del razzo per fare alcune ipotesi sulle dimensioni della colonia. Poiché deve andare al 4\% della velocità della luce, il suo delta-V è di 12 milioni di m / s. Utilizzando bombe nucleari come propulsione, che bruciano al massimo il 30\% del loro potenziale 80 TJ / kg, la velocità di scarico possibile è di 6,9 milioni di m / s. Quindi la colonia avrebbe un rapporto di massa di 5,65, che è fattibile con lattuale tecnologia strutturale. Ora, supponendo che la massa del carico utile sia il 10\% della massa totale della colonia vuota (colonia meno il carburante), la massa totale della colonia vuota è 922.310 kg, con una massa alimentata di 5,231 milioni di kg. Per metterlo in prospettiva, si tratta della stessa massa di un asteroide di ferro con un diametro di 10,75 metri, per il lancio di una sola persona.
Quindi, vediamo se la colonia è composta da 100 persone e progettata per espandersi a 2000 persone. Quindi la massa vuota della colonia si espande a 184,6 milioni di kg e la massa alimentata si espande a 1042 milioni di kg, o la stessa massa di un asteroide di ferro con un diametro di 62,9 metri.Per mantenere bassi i costi, significherebbe costruire tutto lhardware nello spazio utilizzando risorse in situ, magari tramite la tecnologia 3D sviluppata da Planetary Resources o Made in Space, insieme a qualche forma di tecnologia missilistica riutilizzabile come quella creata da SpaceX, Blue Origin, o Masten Space Systems. Senza usare un asteroide, se tutta questa massa fosse lanciata dalla Terra, agli attuali prezzi di lancio di $ 10.000 al kg, ciò ha un costo di $ 10.420 trilioni. Anche con il calo dei costi con i razzi riutilizzabili SpaceX da $ 1000 a $ 100 per kg, il costo sarebbe ancora da $ 1,04 trilioni a $ 104 miliardi per lanciare questa missione. Fattibile, ma solo in una situazione di disperato bisogno o se leconomia planetaria si arricchisce. Quindi, dubito che questo sarà fattibile fino a quando non inizieremo a vedere le aziende in grado di estrarre e trasformare asteroidi di dimensioni 62,9-100 metri in basi su base regolare. Quindi, questa missione è costata poche decine di milioni, rendendola più simile al lancio di un razzo di adesso.