Bästa svaret
Jag ska anta att den typ av rymdskepp du pratar om är de tidiga rymdåldertyperna. Så håll fast vid dina platser, brandbilar och be att jag inte tänker … Ok, jag skojar bara.
UNCF Stiletto
IJCF Kensai
Det viktigaste delsystemet på ett rymdskepp är att det är motorer. Stora kemiska motorer och / eller jonimpulser. Om den senare är närvarande krävs en strömkälla. En koldioxidklyvningsreaktor med hög temperatur räcker. Det är det viktigaste för utan en motor skulle fartyget bara vara en metallkula.
Om rymdskeppet kommer att bära besättning, det vill säga bemannade fartyg, då skulle det näst viktigaste vara livstödssystem. Detta inkluderar syregenererings- och återvinningssystem, tillräckligt med mat för resan och omvänd osmossystem för vatten. Livsstödet skulle också inkludera strålningsskydd, såsom airgel för att skydda besättningen från interplanetär strålning och solvindar. Kanske skulle också ett magnetfält som genereras runt fartyget med hjälp av superledare fungera.
Värmeelement är också viktiga eftersom de förhindrar värme från bygga upp i fartyget och döda alla. Detta beror på att det är ett vakuum i rymden. Värme kan inte ledas bort eller konvekteras bort som på jorden. De kan bara utstråla värme och det bästa sättet att göra detta är att förlänga massiva radiatorer för att rensa allt överflödigt värme från båten.
Nästa system skulle vara kommandosektorn. I grund och botten cockpit eller bron. Det är här hela fartyget kommer att kommanderas av hennes kapten. Vanligtvis skulle det här avsnittet vara bra i fartyget för att skydda kaptenen från rymdskräp vilket leder mig till nästa viktiga system.
Rustning är viktigt på ett rymdskepp, även civila fartyg. Detta är för att skydda besättningen och ännu viktigare, lasten (yay kapitalister) från att ventileras ut i vakuum på grund av ett skrovbrott på grund av rymdskräp / damm. Du förstår, skräp kan vara litet, men allt som reser på 5 ++ kilometer per sekund som slår dig kommer att göra ont. Mycket. Inga undantag för fartyg.
Om uppdraget är långdistans behövs ett besättningskvarter. Det här är platsen för besättningen att vila och återskapa. Den bör omfatta artificiell tyngdkraft, (centrifuger) sovutrymmen, en matsal, dusch och toalett. I grund och botten allt du behöver för att hindra dig från att bli uttråkad eller dö i 600-dagarsflygningen till Europa.
Det här är de grundläggande nödvändigheter för ett rymdskepp men, hur driver vi dem ??
Enkelt. Solpaneler kan installeras på fartygets skrov, utformade för att sträcka sig när de inte är i skuggan av himmellegemer. Det ger tillräckligt med ström för allt som händer (förhoppningsvis) och strömmen är gratis.
Ok, det här är värmeelement men du fattar poängen.
Eller, om fartygets energiförbrukning är absurt hög, dvs militärfartyg, eller om dina solpaneler bara sprängs isär av rymdamm, skulle en kärnreaktor också göra bra. Neutronavskärmning måste också inkluderas, utan den skulle solstrålningsavskärmningen vara meningslös. Kärnklyvningsreaktorer är de enda tillgängliga just nu så vi kommer att hålla fast vid dem. Därför kommer en lastbåt (naturligtvis skyddad) att reserveras för klyvbart material som Plutonium eller Thorium.
För ett civilt transportfartyg är det allt du behöver. Kanske vill kaptenen ha ett bordell ombord, vem vet? Det är våra efterkommande problem. Men om du vill ha ett militärt rymdpatruljefartyg … Tja, det är en annan historia för en annan gång!
Svar
För att en rymdskeppsstad ska fungera, en riktig, måste den vara helt självförsörjande och återvinna all luft, vatten, avfall och skräp och bara överföra människor och energi. Vi har ännu inte riktigt behärskat hur vi gör det, men vi närmar oss. Här är matematiken som visar hur den skulle kunna fungera:
En människa som lever en amerikansk levnadsstandard förbrukar 300 liter vatten per dag, 2800 kalorier mat och nästan 0,1 kg syre per dag. Tillsammans med detta använder vi ungefär 300 kW-timmar el för att utföra våra dagliga uppgifter. Nu likställer vi allt detta, och eftersom rymdfarkosten är ett system med sluten cykel, förutsatt att energi antas för avsaltning av vatten, filtrering av vatten, bearbetning av avfall, odling av mat, skrubbning av luft och generering av elektricitet kommer vi till varje person som behöver en källa som ger bort 91 kW effekt.Detta nummer har använts med följande effektivitetseffekter:
Vattenrening: 100\%
Livsmedelsgenerering: 1\%
Syregenerering: 100\%
Elproduktion: 30\%
Nu, eftersom kolonin färdas mellan stjärnor och för att minimera mängden kraft som behövs för att upprätthålla kolonin mellan stjärnsystem, kommer den att behöva resa med en märkbar bråkdel av ljusets hastighet. Med hjälp av kärnkraft från kärnbomber undersöktes detta i projektet Orion, som fann att det skulle påskynda ett rymdskepp till 1\% -4\% ljusets hastighet med kärnkraft. För att nå Alpha Centauri, som ligger 4,5 ljusår bort, skulle det ta 150 till 450 år att komma dit från Sol-systemet. Så det betyder per person på kolonin, det skulle kräva 1,29 PJ eller 1290 TJ. Om uranfission används, med en kärnreaktor som använder upparbetning av använt bränsle och energi från radioisotoperna, blir detta en minsta massa på 16,5 kg uran per person, för användning enbart i livsuppehållande.
Därefter kommer storleken på bostadshus, livsmedelsproduktionsanläggningar, vattenbearbetningsanläggningar och luftbehandlingsanläggningar, för att inte tala om den primära framdrivningen och strukturen i kolonin. För att ha ett fartyg av bekväm storlek behöver varje person tillgång till ungefär 2000 kvadratmeter eller 200 kvadratmeter bostadsyta. Livsmedelsproduktionen kan vara 10\% av det utrymmet, och det kan också fungera som en bra avkopplings- och viloplats. (Anledningen till att detta kan göras är genom vertikal odling, 3D-utrymmet blir van vid mattillverkning, vilket minskar fotavtrycket i området) Vattenbearbetning och luftbearbetning kan göras delvis i livsmedelsproduktionsområdet, men också i ett separat område av kolonin och tar ytterligare 100 kvadratmeter.
Nu kommer vi till fartygets massa. För detta behöver vi några specifika effektvärden för att snabbt beräkna detta. Här är de aktuella specifika effekterna för olika system, tillsammans med procentandelen effekt som används för varje funktion:
Vattenbehandling: 1 kW / kg, energianvändning Procent: 39,3\% Effektanvändning: 35,8 kW
Livsmedelsproduktion: 100 W / kg, Effektanvändning Procent: 14,9\% Effektanvändning: 13,59 kW
Luftbehandling: 1 kW / kg, Effektanvändningsprocent: 0,01\% Effektanvändning: 0,0101 kW
Elförbrukning: 1 kW / kg, Effektanvändning Procent: 45,7\% Effektanvändning: 41 kW
Total livslängd massan uppgår till 91,01 kg per person. Nu är kraftproduktionsanläggningens massa hög eftersom den nuvarande reaktorskyddsteknologin har ett mycket ynkligt specifikt effektförhållande. Nuvarande kärnreaktorer (även de som är gjorda för rymddrift) har en specifik effekt på 1 W / kg, så per person lägger den elektriska produktions- / kraftgenerationsutrustningen till ytterligare 91.000 kg massa. Mat, vatten och luft lägger också till ytterligare massa och kommer till 1122 kg vatten, 1 kg mat och 1 kg luft.
Så per person kommer kolonimassan till:
1122 kg vatten
1 kg mat
1 kg luft
91,1 kg utrustning för vattenbearbetning, livsmedelsproduktion, luftbearbetning och elförbrukning
91.000 kg elproduktionsutrustning
16,5 kg uranbränsle
För totalt 92 231 kg utrustning per person ombord på fartyget. Nu, för att designa själva skeppet, använder jag raketekvationen för att göra några gissningar som koloniens storlek. Eftersom den behöver gå med 4\% ljusets hastighet är dess delta-V 12 miljoner m / s. Med kärnbomber som framdrivning, som brinner vid maximalt 30\% av deras potentiella 80 TJ / kg, är avgashastigheten möjlig 6,9 miljoner m / s. Så kolonin skulle ha ett massförhållande på 5,65, vilket är genomförbart med nuvarande strukturteknik. Om vi nu antar att nyttolastmassan är 10\% av den totala tomma kolonimassan (koloni minus bränslet) är den totala tomma kolonimassan 922,310 kg, med en bränslemassa på 5,231 miljoner kg. För att sätta det i perspektiv är det samma massa som en järnasteroid med en diameter på 10,75 meter, för att bara starta en person.
Så kan vi se om kolonin är 100 personer stark och utformad för att expandera till 2000 personer. Sedan expanderar koloniens tomma massa till 184,6 miljoner kg, och den drivna massan expanderar till 1042 miljoner kg, eller samma massa en järnasteroid med en diameter på 62,9 meter.För att hålla kostnaderna låga skulle det innebära att bygga all hårdvara i rymden med hjälp av in situ-resurser, kanske via 3D-tekniken som utvecklas av Planetary Resources eller Made in Space, tillsammans med någon form av återanvändbar raketeknik som den som skapats av SpaceX, Blue Origin, eller Masten Space Systems. Utan att använda en asteroid, om hela den här massan om den lanseras från jorden, till nuvarande lanseringspriser på $ 10.000 per kg, kommer detta att kosta 10.420 biljoner dollar. Även med nedgången är kostnaderna med SpaceX återanvändbara raketer till $ 1000 till $ 100 per kg, skulle kostnaden fortfarande vara $ 1.04 biljoner till $ 104 miljarder för att starta detta uppdrag. Genomförbart, men bara i en situation med stort behov eller om planetekonomin blir rikare. Så jag tvivlar på att detta kommer att vara livskraftigt tills vi börjar se att företag regelbundet kan bryta och omvandla asteroider på 62,9–100 meter till baser. Då kostade detta uppdrag att sjunka till de låga tiotals miljoner, vilket gör det mer som en raketlansering av nu.