Melhor resposta
Vou assumir que o tipo de nave espacial de que você está falando é o dos primeiros tipos da era espacial. Então, segurem seus assentos, carros de bombeiros e rezem para não explodir sua cabeça … Ok, estou apenas brincando.
UNCF Stiletto
IJCF Kensai
O subsistema mais importante em uma nave espacial é que motores. Grandes motores químicos e / ou propulsores de impulso iônico. Se o último estiver presente, uma fonte de alimentação é necessária. Um reator de fissão de dióxido de carbono de alta temperatura seria suficiente. É o mais importante porque sem um motor, a nave seria apenas um casco de metal.
Se a nave espacial vai transportar tripulação, ou seja, navio tripulado, então a próxima coisa mais importante seria sistemas de suporte de vida. Isso inclui os sistemas de geração e reciclagem de oxigênio, alimentos suficientes para a viagem e sistemas de osmose reversa para água. O suporte de vida também incluiria proteção contra radiação, como aerogel para proteger a tripulação da radiação interplanetária e dos ventos solares. Talvez um campo magnético gerado ao redor da nave usando supercondutores funcione também.
Os radiadores de calor também são importantes, pois impedem o calor de crescendo no navio e matando todos. Isso ocorre porque, no espaço, é um vácuo. O calor não pode ser conduzido ou convetado como na Terra. Eles só podem irradiar calor e a melhor maneira de fazer isso é estender matrizes de radiadores massivos para eliminar todo o calor em excesso da nave.
O próximo sistema seria o setor de comando. Basicamente, o cockpit ou a ponte. É aqui que todo o navio será comandado por seu capitão. Normalmente, esta seção estaria bem na nave para proteger o capitão de detritos espaciais, o que me leva ao próximo sistema importante.
A armadura é importante em uma nave espacial, mesmo em naves civis. Isso é para proteger a tripulação e, mais importante, a carga (capitalistas yay) de ser ventilada para o vácuo por causa de uma ruptura no casco devido a detritos espaciais / poeira. Veja, os destroços podem ser pequenos, mas qualquer coisa viajando a 5 ++ quilômetros por segundo e acertando você vai doer. Muito. Sem exceções para navios.
Se a missão for de longo curso, será necessário alojamento para a tripulação. Este é o lugar para a tripulação descansar e se divertir. Deve incluir gravidade artificial, (centrífugas) áreas de dormir, uma cantina, duche e WC. Basicamente, tudo que você precisa para evitar ficar entediado ou morrer no vôo de 600 dias para a Europa.
Esses são os básicos necessidades para uma espaçonave, mas, como os equipamos ??
Simples. Painéis solares podem ser instalados no casco do navio, projetados para se estender quando não estiverem na sombra de corpos celestes. Ele fornece energia suficiente para tudo que está acontecendo (espero) e a energia é gratuita.
Ok, esses são radiadores de calor, mas você Entenda o ponto.
Ou, se o consumo de energia da embarcação for absurdamente alto, ou seja, uma embarcação militar, ou seus painéis solares acabaram de explodir pela poeira espacial, um reator nuclear também serviria. A blindagem de nêutrons também deve ser incluída, sem ela, a blindagem contra radiação solar seria inútil. Os reatores de fissão nuclear são os únicos disponíveis no momento, então vamos ficar com eles. Portanto, um compartimento de carga (blindado, é claro) será reservado para materiais físseis como plutônio ou tório.
Para um navio de transporte civil, isso é tudo que você precisa. Talvez o capitão queira um bordel a bordo, quem sabe? Esse é o problema de nossos descendentes. No entanto, se você quiser um navio de patrulha espacial militar … Bem, isso é outra história para outra hora!
Resposta
Para que uma cidade nave espacial funcionasse, de verdade, ela teria que ser totalmente autossuficiente, reciclando todo o seu ar, água, lixo e lixo, transferindo apenas pessoas e energia. Ainda não dominamos completamente como fazer isso, mas estamos chegando perto. Aqui está a matemática que mostra como isso poderia funcionar:
Um ser humano que vive no padrão de vida americano consome 300 galões de água por dia, 2.800 calorias de comida e quase 0,1 kg de oxigênio por dia. Junto com isso, para fazer nossas tarefas diárias, usamos cerca de 300 kW-hrs de eletricidade. Agora equacionando tudo isso, e como a espaçonave é um sistema de ciclo fechado, supondo que a energia seja usada para dessalinizar a água, filtrar a água, processar resíduos, cultivar alimentos, limpar o ar e gerar eletricidade, chegamos a cada pessoa que precisa de uma fonte que emita 91 kW de potência.Esse número é obtido com o uso das seguintes eficiências:
Purificação da água: 100\%
Geração de alimentos: 1\%
Geração de oxigênio: 100\%
Geração de eletricidade: 30\%
Agora, como a colônia está viajando entre as estrelas e para minimizar a quantidade de energia necessária para sustentá-la entre os sistemas estelares, ela precisará viajar a uma fração apreciável da velocidade da luz. Usando a energia nuclear de bombas nucleares, isso foi explorado no projeto Orion, que descobriu que poderia acelerar uma nave estelar para 1\% -4\% da velocidade da luz usando a energia nuclear. Para chegar a Alpha Centauri, que fica a 4,5 anos-luz de distância, seriam necessários 150 a 450 anos para chegar lá do Sistema Sol. Então, isso significa que por pessoa na colônia, seriam necessários 1,29 PJ ou 1290 TJ. Se for usada a fissão de urânio, com um reator nuclear usando o reprocessamento do combustível irradiado e da energia dos radioisótopos, isso chega a uma massa mínima de 16,5 kg de urânio por pessoa, para uso apenas no suporte de vida.
Em seguida, vem o tamanho dos alojamentos, instalações de produção de alimentos, instalações de processamento de água e instalações de processamento de ar, sem mencionar a propulsão primária e estrutura da colônia. Para ter um navio de tamanho confortável, cada pessoa precisaria de acesso a cerca de 2.000 pés quadrados, ou 200 metros quadrados de espaço vital. A produção de alimentos pode ser de 10\% desse espaço, podendo também servir como um bom local de relaxamento e descanso. (A razão pela qual isso pode ser feito é com a agricultura vertical, o espaço 3D é usado para fazer alimentos, reduzindo a pegada na área). O processamento da água e do ar podem ser feitos parcialmente na área de produção de alimentos, mas também em uma área separada da colônia, ocupando mais 100 metros quadrados.
Agora chegamos à massa do navio. Para isso, precisamos de alguns valores específicos de potência para calcular isso rapidamente. Aqui estão os poderes específicos atuais para vários sistemas, juntamente com a porcentagem de energia usada para cada função:
Processamento de água: 1 kW / kg, uso de energia Porcentagem: 39,3\% Uso de energia: 35,8 kW
Produção de alimentos: 100 W / kg, Porcentagem de uso de energia: 14,9\% Uso de energia: 13,59 kW
Processamento de ar: 1 kW / kg, Porcentagem de uso de energia: 0,01\% Uso de energia: 0,0101 kW
Consumo de eletricidade: 1 kW / kg, Porcentagem de uso de energia: 45,7\% Uso de energia: 41 kW
O suporte de vida total a massa chega a 91,01 kg por pessoa. Agora, a massa da usina de geração de energia é alta, porque a tecnologia de blindagem do reator atual tem uma relação de potência específica muito lamentável. Os reatores nucleares atuais, (mesmo aqueles feitos para operação espacial) têm uma potência específica de 1 W / kg, portanto, por pessoa, o equipamento de geração / geração de energia elétrica adiciona outros 91.000 kg de massa. Comida, água e ar também adicionam massa, chegando a 1122 kg de água, 1 kg de comida e 1 kg de ar.
Portanto, por pessoa, a massa da colônia chega a:
1122 kg de água
1 kg de comida
1 kg de ar
91,1 kg de processamento de água, produção de alimentos, processamento de ar e equipamento de consumo de eletricidade
91.000 kg de equipamento de produção de eletricidade
16,5 kg de urânio combustível
Para um total de 92.231 kg de equipamento por pessoa a bordo do navio. Agora, para projetar o próprio navio, usarei a equação do foguete para fazer algumas suposições quanto ao tamanho da colônia. Como precisa ir a 4\% da velocidade da luz, seu delta-V é de 12 milhões de m / s. Usando bombas nucleares como sua propulsão, que queimam no máximo 30\% de seu potencial de 80 TJ / kg, a velocidade de exaustão possível é de 6,9 milhões de m / s. Portanto, a colônia teria uma proporção de massa de 5,65, o que é factível pela tecnologia estrutural atual. Agora, supondo que a massa da carga útil seja 10\% da massa total da colônia vazia (colônia menos o combustível), a massa total da colônia vazia é 922.310 kg, com uma massa alimentada de 5,231 milhões de kg. Para colocar isso em perspectiva, é a mesma massa de um asteróide de ferro com um diâmetro de 10,75 metros, para lançar apenas 1 pessoa.
Então, vamos ver se a colônia tem 100 pessoas e foi projetada para se expandir para 2.000 pessoas. Em seguida, a massa vazia da colônia se expande para 184,6 milhões de kg, e a massa alimentada se expande para 1042 milhões de kg, ou a mesma massa um asteróide de ferro com diâmetro de 62,9 metros.Para manter os custos baixos, isso significaria construir todo o hardware no espaço usando recursos in-situ, talvez por meio da tecnologia 3D sendo desenvolvida pela Planetary Resources ou Made in Space, junto com alguma forma de tecnologia de foguete reutilizável como a criada pela SpaceX, Blue Origin ou Masten Space Systems. Sem o uso de um asteróide, se toda essa massa fosse lançada da Terra, aos preços atuais de lançamento de US $ 10.000 por kg, isso resultaria em um custo de US $ 10,420 trilhões. Mesmo com a queda dos custos com os foguetes reutilizáveis SpaceX para US $ 1.000 a US $ 100 por kg, o custo ainda seria de US $ 1,04 trilhão a US $ 104 bilhões para lançar esta missão. Possível, mas apenas em uma situação de extrema necessidade ou se a economia planetária ficar mais rica. Portanto, duvido que isso seja viável até que comecemos a ver empresas sendo capazes de minerar e transformar asteróides de 62,9-100 metros em bases regularmente. Então, esse custo de missão cair para dezenas de milhões, tornando-se mais como um lançamento de foguete de agora.