Beste antwoord
Ik ga ervan uit dat het soort ruimteschip waar je het over hebt, het vroege ruimtetijdperk is. Dus hou je vast aan je stoelen, brandweerwagens en bid dat ik je niet verbaasd … Ok, ik maak maar een grapje.
UNCF Stiletto
IJCF Kensai
Het belangrijkste subsysteem op een ruimteschip is dat het motoren. Grote chemische motoren en / of ionenimpulsschroeven. Als dit laatste aanwezig is, is een stroombron vereist. Een kooldioxide-splijtingsreactor op hoge temperatuur zou voldoende zijn. Het is het belangrijkste omdat het schip zonder motor gewoon een romp van metaal zou zijn.
Als het ruimteschip gaat de bemanning vervoeren, dat wil zeggen, een bemand schip, dan is het volgende belangrijkste ding levensondersteunende systemen. Dit omvat de zuurstofgeneratie- en recyclingsystemen, voldoende voedsel voor de reis en omgekeerde osmose-systemen voor water. De levensondersteuning zou ook stralingsafscherming omvatten, zoals aerogel om de bemanning te beschermen tegen interplanetaire straling en zonnewind. Misschien zou een magnetisch veld dat rond het schip wordt gegenereerd met behulp van supergeleiders ook werken.
Warmtestralers zijn ook belangrijk omdat ze warmte van opbouwen in het schip en iedereen doden. Dit komt omdat het in de ruimte een vacuüm is. Warmte kan niet worden weggeleid of meegevoerd zoals op aarde. Ze kunnen alleen warmte uitstralen en de beste manier om dit te doen is door enorme radiatorreeksen uit te breiden om alle overtollige warmte uit het vaartuig te verwijderen.
Het volgende systeem zou de commandosector zijn. In feite de cockpit of de brug. Hier wordt het hele schip aangevoerd door haar kapitein. Normaal gesproken zou deze sectie goed in het schip zijn om de kapitein te beschermen tegen ruimtepuin, wat me naar het volgende belangrijke systeem brengt.
Pantser is belangrijk op een ruimteschip, zelfs op burgerschepen. Dit is om de bemanning te beschermen en, nog belangrijker, de lading (ja kapitalisten) om niet in vacuüm te worden gelaten vanwege een rompdoorbraak vanwege ruimtepuin / stof. Zie je, puin mag dan klein zijn, maar alles wat je met een snelheid van 5 ++ kilometer per seconde raakt, zal je pijn doen. Veel. Geen uitzonderingen voor schepen.
Als de missie van lange duur is, is een bemanningsverblijf nodig. Dit is de plek voor de bemanning om uit te rusten en te recreëren. Denk hierbij aan kunstmatige zwaartekracht, (centrifuges) slaapruimtes, een kantine, douche en toilet. Eigenlijk alles wat u nodig heeft om te voorkomen dat u zich verveelt of sterft tijdens de 600 dagen durende vlucht naar Europa.
Dat zijn de fundamentele benodigdheden voor een ruimteschip, maar hoe kunnen we ze aandrijven ??
Simpel. Zonnepanelen kunnen op de romp van het schip worden geïnstalleerd, ontworpen om uit te schuiven wanneer ze niet in de schaduw van hemellichamen staan. Het biedt genoeg stroom voor alles wat er (hopelijk) gebeurt en stroom is gratis.
Ok, dit zijn warmtestralers maar jij begrijp het punt.
Of, als het stroomverbruik van het vaartuig absurd hoog is, dwz een militair vaartuig, of als uw zonnepanelen net uit elkaar zijn geblazen door ruimtestof, zou een kernreactor het ook prima doen. Neutronenafscherming moet ook worden opgenomen, zonder dit zou de afscherming tegen zonnestraling zinloos zijn. Kernsplijtingsreactoren zijn de enige die momenteel beschikbaar zijn, dus we zullen bij hen blijven. Daarom wordt een laadruim (uiteraard afgeschermd) gereserveerd voor splijtstof zoals plutonium of thorium.
Voor een civiel transportschip is dat alles wat je nodig hebt. Misschien wil de kapitein een bordeel aan boord, wie weet? Dat is het probleem van onze nakomelingen. Maar als je een militair ruimtevaartuig wilt … Nou, dat is een ander verhaal voor een andere keer!
Antwoord
Om een ruimteschipstad te laten werken, een echte stad, moet deze volledig zelfvoorzienend zijn, al zijn lucht, water, afval en afval recyclen en alleen mensen en energie overbrengen. We hebben nog niet helemaal onder de knie hoe we dit moeten doen, maar we komen dichterbij. Hier is de wiskunde die laat zien hoe het zou kunnen werken:
Een mens met een Amerikaanse levensstandaard verbruikt 300 liter water per dag, 2800 calorieën voedsel en bijna 0,1 kg zuurstof per dag. Daarnaast gebruiken we voor het uitvoeren van onze dagelijkse taken ongeveer 300 kW-uur elektriciteit. Dit alles gelijk stellen, en aangezien het ruimtevaartuig een gesloten kringloopsysteem is, ervan uitgaande dat energie wordt gebruikt voor het ontzilten van water, het filteren van water, het verwerken van afval, het verbouwen van voedsel, het schrobben van lucht en het opwekken van elektriciteit, komen we bij iedereen die een bron nodig heeft die 91 kW vermogen.Dit aantal gebruikt de volgende efficiëntieverbeteringen:
Waterzuivering: 100\%
Voedselproductie: 1\%
Zuurstofgeneratie: 100\%
Elektriciteitsopwekking: 30\%
Nu, aangezien de kolonie tussen sterren reist, en om de hoeveelheid energie die nodig is om de kolonie tussen sterrenstelsels in stand te houden, te minimaliseren, zal het moeten reizen met een aanzienlijk deel van de lichtsnelheid. Gebruikmakend van kernenergie van atoombommen, werd dit onderzocht in project Orion, dat ontdekte dat het een ruimteschip zou versnellen tot 1\% -4\% van de lichtsnelheid met behulp van kernenergie. Om Alpha Centauri te bereiken, dat 4,5 lichtjaar verwijderd is, zou het 150 tot 450 jaar duren om daar te komen vanaf het Sol-systeem. Dus dat betekent dat per persoon in de kolonie 1,29 PJ of 1290 TJ nodig zou hebben. Als uraniumsplitsing wordt gebruikt, met een kernreactor die de verbruikte splijtstof en energie uit de radio-isotopen opwerkt, komt dit op een minimum massa van 16,5 kg uranium per persoon, alleen voor levensonderhoud.
Vervolgens komt de grootte van de woonruimten, voedselproductiefaciliteiten, waterverwerkingsfaciliteiten en luchtverwerkingsfaciliteiten, om nog maar te zwijgen van de primaire voortstuwing en structuur van de kolonie. Om een comfortabel schip te hebben, zou elke persoon toegang nodig hebben tot ongeveer 2000 vierkante voet of 200 vierkante meter woonoppervlak. De voedselproductie kan 10\% van die ruimte zijn, en het kan ook dienen als een goede ontspannings- en rustplek. (De reden dat dit kan worden gedaan, is dat bij verticale landbouw de 3D-ruimte wordt gebruikt voor het maken van voedsel, waardoor de voetafdruk in het gebied wordt verkleind). Waterverwerking en luchtverwerking kunnen gedeeltelijk in de voedselproductieruimte gebeuren, maar ook in een apart gebied van de kolonie, dat nog eens 100 vierkante meter in beslag neemt.
Nu komen we bij de massa van het schip. Hiervoor hebben we enkele specifieke vermogenscijfers nodig om dit snel te kunnen berekenen. Hier zijn de huidige specifieke vermogens voor verschillende systemen, samen met het percentage van het vermogen dat voor elke functie wordt gebruikt:
Waterverwerking: 1 kW / kg, stroomverbruik Percentage: 39,3\% Stroomverbruik: 35,8 kW
Voedselproductie: 100 W / kg, Stroomverbruikspercentage: 14,9\% Stroomverbruik: 13,59 kW
Luchtverwerking: 1 kW / kg, stroomverbruikpercentage: 0,01\% Stroomverbruik: 0,0101 kW
Elektriciteitsverbruik: 1 kW / kg, stroomverbruikspercentage: 45,7\% Stroomverbruik: 41 kW
De totale levensondersteuning massa komt op 91,01 kg per persoon. Nu is de massa van de elektriciteitscentrale hoog, omdat de huidige reactorafschermingstechnologie een zeer erbarmelijke specifieke vermogensverhouding heeft. De huidige kernreactoren (zelfs die gemaakt zijn voor gebruik in de ruimte) hebben een specifiek vermogen van 1 W / kg, dus per persoon voegt de apparatuur voor elektrische opwekking / stroomopwekking nog eens 91.000 kg massa toe. Voedsel, water en lucht voegen ook extra massa toe, wat neerkomt op 1122 kg water, 1 kg voedsel en 1 kg lucht.
Dus per persoon komt de massa van de kolonie uit op:
1122 kg water
1 kg voedsel
1 kg lucht
91,1 kg van apparatuur voor waterverwerking, voedselproductie, luchtverwerking en elektriciteitsverbruik
91.000 kg apparatuur voor elektriciteitsproductie
16,5 kg uraniumbrandstof
Voor een totaal van 92.231 kg uitrusting per persoon aan boord van het schip. Nu, om het schip zelf te ontwerpen, zal ik de raketvergelijking gebruiken om een paar schattingen te maken van de grootte van de kolonie. Omdat het met 4\% van de lichtsnelheid moet gaan, is zijn delta-V 12 miljoen m / s. Met atoombommen als voortstuwing, die maximaal 30\% van hun potentiële 80 TJ / kg verbranden, is de mogelijke uitlaatsnelheid 6,9 miljoen m / s. De kolonie zou dus een massaverhouding hebben van 5,65, wat te doen is met de huidige structurele technologie. Aangenomen dat de massa van de nuttige lading 10\% is van de totale massa van de lege kolonie (kolonie minus de brandstof), is de totale massa van de lege kolonie 922.310 kg, met een brandstofmassa van 5,231 miljoen kg. Om dat in perspectief te plaatsen, dat is dezelfde massa als een ijzeren asteroïde met een diameter van 10,75 meter, voor het lanceren van slechts 1 persoon.
Laten we dus eens kijken of de kolonie 100 mensen sterk is, en ontworpen om uit te breiden tot 2000 mensen. Dan breidt de lege massa van de kolonie zich uit tot 184,6 miljoen kg, en de brandstofmassa breidt zich uit tot 1042 miljoen kg, of dezelfde massa een ijzeren asteroïde met een diameter van 62,9 meter.Om de kosten laag te houden, zou het betekenen dat alle hardware in de ruimte moet worden gebouwd met behulp van in-situ bronnen, misschien via de 3D-technologie die wordt ontwikkeld door Planetary Resources of Made in Space, samen met een of andere vorm van herbruikbare rakettechnologie zoals die gemaakt door SpaceX, Blue Origin of Masten Space Systems. Zonder een asteroïde te gebruiken, als al deze massa vanaf de aarde zou worden gelanceerd, tegen de huidige lanceringsprijzen van $ 10.000 per kg, komt dit neer op $ 10.420 biljoen. Zelfs met de daling van de kosten met de SpaceX herbruikbare raketten tot $ 1000 tot $ 100 per kg, zouden de kosten nog steeds $ 1,04 biljoen tot $ 104 miljard bedragen om deze missie te lanceren. Goed te doen, maar alleen in een situatie van grote nood of als de planetaire economie rijker wordt. Dus ik betwijfel of dit haalbaar zal zijn totdat we beginnen te zien dat bedrijven in staat zijn om op regelmatige basis asteroïden van 62,9-100 meter groot te mijnen en om te vormen tot bases. Vervolgens kostte deze missie om te dalen tot in de lage tientallen miljoenen, waardoor het meer op een raketlancering van nu lijkt.