Najlepsza odpowiedź
Zakładam, że statek kosmiczny, o którym mówisz, to statki kosmiczne z wczesnej ery. Więc trzymajcie się swoich miejsc, wozy strażackie i módlcie się, abym nie rozwalił waszych myśli… Ok, tylko żartuję.
Szpilka UNCF
IJCF Kensai
Najważniejszym podsystemem na statku kosmicznym jest silniki. Duże silniki chemiczne i / lub jonowe silniki impulsowe. Jeśli to ostatnie jest obecne, wymagane jest źródło zasilania. Wystarczyłby reaktor do rozszczepiania dwutlenku węgla w wysokiej temperaturze. Jest to najważniejsze, ponieważ bez silnika statek byłby po prostu kadłubem metalu.
Gdyby statek kosmiczny ma przewozić załogę, czyli statek załogowy, wtedy następną najważniejszą rzeczą byłyby systemy podtrzymywania życia. Obejmuje to systemy wytwarzania i recyklingu tlenu, wystarczającą ilość żywności na podróż i systemy odwróconej osmozy dla wody. Systemy podtrzymywania życia obejmowałyby również osłony przed promieniowaniem, takie jak aerożel, aby chronić załogę przed promieniowaniem międzyplanetarnym i wiatrami słonecznymi. Być może pole magnetyczne generowane wokół statku za pomocą nadprzewodników również by działało.
Promienniki ciepła są również ważne, ponieważ zapobiegają wydzielaniu się ciepła budując się na statku i zabijając wszystkich. Dzieje się tak, ponieważ w kosmosie jest to próżnia. Ciepła nie można odprowadzać ani konwekować, jak na Ziemi. Mogą jedynie wypromieniowywać ciepło, a najlepszym sposobem na to jest rozszerzenie masywnych paneli grzejników, aby usunąć nadmiar ciepła z jednostki.
Następnym systemem byłby sektor dowodzenia. Zasadniczo kokpit lub mostek. To tutaj cały statek zostanie przejęty przez jej kapitana. Zazwyczaj ta sekcja dobrze się sprawdza na statku, chroniąc kapitana przed śmieciami z kosmosu, które przenoszą mnie do następnego ważnego systemu.
Pancerz jest ważny na statkach kosmicznych, nawet statkach cywilnych. Ma to na celu ochronę załogi, a co ważniejsze, ładunku (kapitalistów yay) przed wydostaniem się do próżni z powodu pęknięcia kadłuba z powodu kosmicznych śmieci / pyłu. Widzisz, szczątki mogą być małe, ale każde uderzenie z prędkością 5 ++ kilometrów na sekundę spowoduje ból. Dużo. Bez wyjątków dla statków.
Jeśli misja jest długodystansowa, potrzebna jest kwatera załogi. To miejsce odpoczynku i rekreacji załogi. Powinien zawierać sztuczną grawitację (wirówki) miejsca do spania, kantynę, prysznic i toaletę. Zasadniczo wszystko, czego potrzebujesz, aby uchronić się przed znudzeniem lub śmiercią podczas 600-dniowego lotu do Europy.
To są podstawowe rzeczy niezbędne dla statku kosmicznego, ale jak je zasilamy?
Proste. Panele słoneczne można zainstalować na kadłubie statku, tak aby rozciągały się, gdy nie są w cieniu ciał niebieskich. Zapewnia wystarczającą moc na wszystko, co się dzieje (miejmy nadzieję) i jest za darmo.
OK, to są grzejniki, ale ty rozumiem.
Lub, jeśli pobór mocy przez statek jest absurdalnie wysoki, np. statek wojskowy, lub twoje panele słoneczne zostały właśnie rozerwane przez kosmiczny pył, reaktor jądrowy też by się nadawał. Należy również uwzględnić ekranowanie neutronowe, bez niego osłona przed promieniowaniem słonecznym byłaby bezcelowa. Obecnie dostępne są jedyne reaktory rozszczepienia jądra atomowego, więc będziemy się ich trzymać. Dlatego też ładownia (oczywiście osłonięta) będzie zarezerwowana dla materiałów rozszczepialnych, takich jak pluton czy tor.
W przypadku cywilnego statku transportowego to wszystko, czego potrzebujesz. Może kapitan chce na pokładzie burdelu, kto wie? To jest problem naszych potomków. Jeśli jednak potrzebujesz wojskowego statku patrolowego… Cóż, to już inna historia na inny raz!
Odpowiedź
Aby miasto-statek kosmiczny działało, właściwe, musiało być w pełni samowystarczalne, przetwarzając całe powietrze, wodę, odpady i śmieci, przekazując tylko ludzi i energię. Jeszcze nie opanowaliśmy do końca, jak to zrobić, ale jesteśmy coraz bliżej. Oto matematyka pokazująca, jak to mogłoby działać:
Człowiek żyjący na amerykańskim poziomie życia zużywa 300 galonów wody dziennie, 2800 kalorii pożywienia i prawie 0,1 kg tlenu dziennie. Oprócz tego do wykonywania naszych codziennych zadań zużywamy około 300 kWh energii elektrycznej. Teraz porównując to wszystko, a ponieważ statek kosmiczny jest systemem zamkniętym, zakładając, że energia jest używana do odsalania wody, filtrowania wody, przetwarzania odpadów, uprawy żywności, oczyszczania powietrza i wytwarzania energii elektrycznej, docieramy do każdej osoby potrzebującej źródła, które się wydziela 91 kW mocy.Ta liczba jest obliczana na podstawie następujących sprawności:
Oczyszczanie wody: 100\%
Produkcja żywności: 1\%
Wytwarzanie tlenu: 100\%
Wytwarzanie energii elektrycznej: 30\%
Ponieważ kolonia podróżuje między gwiazdami i aby zminimalizować ilość energii potrzebnej do utrzymania kolonii między układami gwiezdnymi, będzie musiała podróżować ze znacznym ułamkiem prędkości światła. Wykorzystując energię jądrową z bomb jądrowych, badano to w ramach projektu Orion, w którym stwierdzono, że przyspieszy to statek kosmiczny do 1\% -4\% prędkości światła przy użyciu energii jądrowej. Dotarcie do Alfa Centauri, która znajduje się 4,5 roku świetlnego od nas, zajęłoby od 150 do 450 lat, aby dotrzeć tam z Układu Słonecznego. Oznacza to, że na osobę w kolonii wymagałoby to 1,29 PJ lub 1290 TJ. Jeśli stosuje się rozszczepienie uranu w reaktorze jądrowym wykorzystującym ponowne przetwarzanie zużytego paliwa i energii z radioizotopów, uzyskuje się minimalną masę 16,5 kg uranu na osobę, przeznaczonego wyłącznie do podtrzymywania życia.
Dalej jest wielkość pomieszczeń mieszkalnych, urządzeń do produkcji żywności, urządzeń do uzdatniania wody i powietrza, nie wspominając o podstawowym napędzie i strukturze kolonii. Aby mieć statek o wygodnych rozmiarach, każda osoba musiałaby mieć dostęp do około 2000 stóp kwadratowych, czyli 200 metrów kwadratowych powierzchni mieszkalnej. Produkcja żywności może zajmować 10\% tej przestrzeni, a także może służyć jako dobre miejsce do relaksu i odpoczynku. (Powodem, dla którego można to zrobić, jest rolnictwo wertykalne, w którym przestrzeń 3D jest wykorzystywana do produkcji żywności, zmniejszając ślad na tym obszarze). Uzdatnianie wody i powietrza może odbywać się częściowo w strefie produkcji żywności, ale także w wydzielonym obszarze kolonii, zajmując kolejne 100 metrów kwadratowych.
Teraz dochodzimy do masy statku. W tym celu potrzebujemy pewnych konkretnych wartości mocy, aby szybko to obliczyć. Oto aktualne moce właściwe dla różnych systemów, wraz z procentem mocy używanej dla każdej funkcji:
Uzdatnianie wody: 1 kW / kg, zużycie energii Procent: 39,3\% Zużycie energii: 35,8 kW
Produkcja żywności: 100 W / kg, procentowe zużycie energii: 14,9\% Zużycie energii: 13,59 kW
Przetwarzanie powietrza: 1 kW / kg, procentowe zużycie energii: 0,01\% Zużycie energii: 0,0101 kW
Zużycie energii elektrycznej: 1 kW / kg, procentowe zużycie energii: 45,7\% Zużycie energii: 41 kW
Całkowite podtrzymanie życia masa dochodzi do 91,01 kg na osobę. Teraz masa elektrowni jest duża, ponieważ obecna technologia ekranowania reaktora ma bardzo żałosny współczynnik mocy właściwej. Obecne reaktory jądrowe (nawet te przeznaczone do pracy w kosmosie) mają moc właściwą 1 W / kg, więc na osobę sprzęt do wytwarzania energii elektrycznej dodaje kolejne 91 000 kg masy na osobę. Pożywienie, woda i powietrze również dodają dodatkowej masy, dochodząc do 1122 kg wody, 1 kg pożywienia i 1 kg powietrza.
Zatem na osobę masa kolonii wynosi:
1122 kg wody
1 kg jedzenia
1 kg powietrza
91,1 kg sprzętu do uzdatniania wody, produkcji żywności, przetwarzania powietrza i zużycia energii elektrycznej
91 000 kg sprzętu do produkcji energii elektrycznej
16,5 kg paliwa uranowego
Łącznie 92 231 kg sprzętu na osobę na pokładzie statku. Teraz, aby zaprojektować sam statek, użyję równania rakiety, aby dokonać kilku przypuszczeń, jak wielkość kolonii. Ponieważ musi poruszać się z prędkością 4\% prędkości światła, jego delta-V wynosi 12 milionów m / s. Wykorzystując jako napęd bomby atomowe, które spalają maksymalnie 30\% ich potencjalnego 80 TJ / kg, możliwa prędkość spalin wynosi 6,9 miliona m / s. Więc kolonia miałaby stosunek masy 5,65, co jest możliwe do wykonania przy użyciu obecnej technologii strukturalnej. Teraz, zakładając, że masa ładunku stanowi 10\% całkowitej masy pustej kolonii (kolonia minus paliwo), całkowita masa pustej kolonii wynosi 922310 kg, przy masie paliwa 5,231 mln kg. Ujmując to z perspektywy, to ta sama masa co żelazna asteroida o średnicy 10,75 metra, do wystrzelenia tylko jednej osoby.
Zobaczmy więc, czy kolonia liczy 100 osób i została zaprojektowana tak, aby powiększyć się do 2000 osób. Następnie pusta masa kolonii powiększa się do 184,6 mln kg, a masa zasilona do 1042 mln kg, czyli takiej samej masy jak żelazna asteroida o średnicy 62,9 metra.Aby utrzymać niskie koszty, oznaczałoby to zbudowanie całego sprzętu w kosmosie przy użyciu zasobów in situ, być może za pomocą technologii 3D opracowanej przez Planetary Resources lub Made in Space, wraz z jakąś formą technologii rakiet wielokrotnego użytku, taką jak ta stworzona przez SpaceX, Blue Origin, czyli Masten Space Systems. Bez asteroidy, gdyby cała ta masa została wystrzelona z Ziemi, przy obecnych cenach startowych wynoszących 10 000 USD za kg, kosztowałby 10,420 bilionów dolarów. Nawet przy spadku kosztów rakiet wielokrotnego użytku SpaceX do 1000 do 100 USD za kg, koszt uruchomienia tej misji nadal wyniósłby 1,04 do 104 miliardów dolarów. Wykonalne, ale tylko w sytuacji pilnej potrzeby lub gdy gospodarka planetarna się wzbogaci. Tak więc wątpię, że będzie to wykonalne, dopóki nie zaczniemy widzieć, jak firmy są w stanie regularnie wydobywać i przekształcać asteroidy o wielkości 62,9–100 metrów w bazy. Następnie koszt tej misji spadł do kilkudziesięciu milionów, przez co bardziej przypomina wystrzelenie rakiety.