¿Qué tan poderoso tiene que ser un láser para propulsar una nave espacial a Marte en 30 minutos? Si la nave espacial pesara 5 libras, ¿cuál sería el tamaño de su vela? ¿Qué tan poderoso tendría que ser el láser? ¿Qué tan grande sería la matriz láser?

Answer 1

Esta es una pregunta interesante, y la respuesta realmente depende de lo que quieres decir con eso. Su pregunta puede ser tomada de dos maneras. 1.) La nave tiene que llegar a Marte en 30 min. Este es, con mucho, el más difícil de los dos escenarios, y lo intentaré en un segundo. 2.) La nave espacial recibe 30 minutos de ser explotada por el láser, y al final de estos 30 minutos tiene que tener suficiente energía para volar a Marte (por lo que ha sido propulsada a Marte). Este segundo escenario es definitivamente el más realista de los dos, pero solo tengo tiempo para escribir uno y ¿dónde está la diversión de hacer lo fácil? 🙂 Vamos a hacer el escenario uno.

La distancia entre Marte y la Tierra es, después de una búsqueda rápida en Google, de 54.6 millones de kilómetros. La velocidad de la luz pasa a ser de unos 300,000 kilómetros por segundo, por lo que para llegar a Marte en 30 minutos, tendrá que ir a una velocidad promedio de poco menos del 10% de la velocidad de la luz. Para lograr esto, tendría que promediar un aumento en la velocidad de aproximadamente el 5% de la velocidad de la luz cada 10 minutos aproximadamente (esto en realidad lo ubicaría a unos 600,000 kilómetros de Marte en 30 minutos, pero dado que esto la distancia sería cubierta por nuestra sonda que ahora tiene un 15% de la velocidad de la luz en poco menos de 14 segundos, elegiré ignorarla por el simple hecho de tener números con los que trabajar.

Esta es una aceleración de 25,000 m / s ^ 2, y para acelerar una sonda de 5 libras a esta fuerza se requieren unos 56,500 Newtons. ¡Ahora esto es una cantidad minúscula! Quiero decir, ¡solo UNO de los motores de cohete Saturn V proporcionó 7.7 MILLONES de Newtons de empuje! Pero esos motores fueron construidos para levantar 6.2 millones de libras de cohete, no cinco, y ciertamente no cabrían en nuestra pequeña sonda.

Entonces, ¿cuánta potencia se requiere para ejercer 56.500 Newtons de fuerza en una distancia de un metro? ¡Sólo 56.5 julios! ¡Eso no es mucho en absoluto! Desafortunadamente, a lo largo de 54.6 millones de kilómetros, ahora está viendo 3,08 billones de kilos de energía en un período de 30 minutos, o alrededor de 102 millones de kilos por minuto. Esto equivale aproximadamente a un láser de 6 billones de vatios. ¡Estamos de suerte! El láser más poderoso jamás probado arrojó 2 cuatrillones de vatios por segundo (a pesar de que solo se disparó por una billonésima de segundo – los científicos japoneses disparan el láser más poderoso del mundo), y al disparar este único láser por 5 cien milésimas de pulgada. segundo a la vez, una vez por segundo durante 30 minutos, ¡podría impulsar nuestra aceleración!

* Tenga en cuenta que esto se encuentra en perfectas condiciones, supone que el 100% de la energía del láser se destina a mover la nave hacia adelante, e ignora el hecho de que cuanto más se aleje la nave del láser, más débil será el rayo. Otro problema se manifiesta, a saber, que la energía requerida es 1 / 20,000 del consumo total de electricidad de nuestro planeta por año, y que en cualquier lugar donde se construya esto causaría apagones masivos debido a la falla de la red eléctrica. ¿Quieres alimentarlo mediante paneles solares en el espacio? Olvídalo. nunca podría enviar una matriz lo suficientemente grande, lo que ahora hace que nuestro escenario sea MÁS improbable, ya que el láser que pasa a través de la atmósfera de la Tierra lo difundiría hasta que era básicamente inútil. También tendrá que construir su sonda para soportar los 2,551 G de aceleración constante que tomará durante la siguiente media hora. Buena suerte con eso. (Ah, y por cierto, su nave espacial se estrellará contra Marte a una velocidad de 101 millones de millas por hora, así que … diviértase haciendo literalmente cualquier cosa con esto). Espero que esto haya sido útil y no dude en votar! Aclamaciones

Answer 2

Si viajó a la velocidad de la luz, Marte está a solo unos 3 minutos de luz en su punto más cercano (54.6 millones de kilómetros). Eso parece bastante fácil.

Pero tendremos que acelerar.

Si aceleramos constantemente (desde “descanso”) todo el tiempo, tendremos que acelerar a

[math] a = \ frac {2d} {t ^ 2} [/ math]

a = 35,556 m / s ^ 2

Ahora, si aceleramos a esa velocidad durante los 1800 segundos completos (30 minutos), tendremos una velocidad de 64 millones de metros por segundo, o aproximadamente el 21% de la velocidad de la luz, cuando lleguemos a Marte.

Nuestro oficio tendría una energía cinética de:

[math] KE = \ frac {1} {2} mv ^ 2 [/ math]

KE = 4.64E15 J

Esta es aproximada a la cantidad de energía liberada por 1 Megatón de TNT.

Esa es la cantidad mínima de energía que nuestro láser tendrá que producir. En realidad, será más alto que eso debido a las pérdidas.

Si aceleramos durante un período de tiempo más corto (es decir, nos deslizamos durante parte del viaje) necesitaremos aún más energía de nuestro láser. La cantidad de tiempo más corta que nuestra nave podría acelerar es de unos 400 segundos. Al menos, ¡tendremos que avanzar a una velocidad superior a la c para llegar allí! En ese escenario, la energía requerida es de un mínimo equivalente a 20 Megatones TNT (y en realidad es mucho mayor, gracias a los efectos relativistas. Los he ignorado para nuestro escenario de “aceleración suave”, que no es bastante justo aquí, pero es lo suficientemente cerca para esta respuesta. Pero para una mayor velocidad, ya no se pueden ignorar.)

En cuanto al tamaño de la vela y el tamaño de la matriz láser, podemos detenernos aquí mismo porque es necesario abordar algo muy importante: el hecho de que nuestra vela y nuestra embarcación han sido eliminadas.

Estamos enfocando la energía de una bomba de hidrógeno en algo relativamente pequeño. El tamaño realmente no importa aquí, lo vamos a triturar. Además, la aceleración es tan grande que cualquier nave espacial será aplastada por completo bajo su propio peso. Piénselo: si aceleramos en nuestra opción más suave (durante 30 minutos), nuestra nave de 5 libras (en la Tierra) tendrá un peso de 18,141 LIBRAS. Es como tomar una caja de zapatos hecha de titanio y ponerla debajo de un tren. Sí, el titanio es fuerte, pero no es tan fuerte. Nuestra nave será destrozada como una lata de cerveza vacía.

La propulsión láser es una posibilidad realista para futuras misiones, pero nunca viajaremos a Marte en 30 minutos. Dudo mucho que cualquier material pueda soportar esta aceleración (aunque quizás un bulto sólido de diamante podría hacerlo). Ciertamente ningún equipo científico podría manejarlo. Además, estarás gritando por tu destino a 1/5 de la velocidad de la luz: tendrás microsegundos para hacer ciencia antes de que pases o te aplastes en el planeta con tanta energía como una bomba de hidrógeno.

Answer 3

Gran pregunta

Una cita maravillosa viene a la mente:

La eficiencia de una unidad de reacción como arma es directamente proporcional a su eficiencia como unidad. – Larry Niven

En otras palabras … ¡ cualquier sistema de propulsión que sea lo suficientemente emocionante para el viaje espacial puede ser usado como un arma!

Vamos a probar algunas aproximaciones realmente fáciles (y bastante tontas).

La aproximación más cercana a Marte es de 75,3 millones de kilómetros.

Hmm, para un tiempo de viaje de 30 minutos, el barco debe viajar a 150.6 millones de kilómetros por hora, lo que equivale a 41.200 km / segundo.

Olvidémonos de todos los otros problemas (no triviales) que el movimiento a tales velocidades causaría. ¿Qué es la ‘energética’ de esta misión?

KE de la nave espacial (suponiendo una masa de 5 libras) = ​​1/2 * 2.5 * (4.18 * 10 ^ 7) ^ 2 = ¡SIETE INFIERNOS! ¡¡¿CÓMO PUEDE UN NÚMERO QUE ES GRANDE? !!!!

En realidad eso se trata de aproximadamente: 2.18 * 10 ^ 15 julios, ¿cuánto es eso?

Algunas comparaciones aproximadas y listas: –

Energía liberada por el arma de Hiroshima = 6.6944 * 10 ^ 13 julios (cien veces menos energia)

Energía liberada por el arma termonuclear más potente probada hasta la fecha

(Zar Bomba) = 2.38488e + 17 J (cien veces más energía)

En otras palabras, el láser necesario para cumplir esta misión sería el arma de rayo más poderosa y aterradora que jamás haya ideado la humanidad. ¡El Señor Siva estaría orgulloso!

Olvídate de Marte, vamos a freír la luna! ¡¡Será divertido!!

Este es un excelente recurso para usted, lleno de información interesante y escenarios muy detallados:

Torchships – cohetes atómicos

¡Gracias por la A2A!

Answer 4

La mayoría de las respuestas aquí son algunas variaciones de “no va a suceder”. Eso es verdad. Sin embargo, voy a tratar de dar una respuesta, no obstante.

Perdóname por ignorar la relatividad. Hacerlo clásicamente no es una buena aproximación aquí, pero no es completamente terrible.

El Marte y la Tierra más cercanos que se hayan alcanzado son los 54.6Gm (la mecánica orbital es irrelevante a esta velocidad, irá directamente allí) para cubrir esta distancia en 30 minutos desde un punto muerto, lo que requiere una aceleración de:

a = 2s / t ^ 2 = 2 * 54.6 * 10 ^ 9m / (1800s) ^ 2 = 33 km / s ^ 2

Así que necesitas acelerar unas tres mil gravedad. (Y te estrellarás en Marte a aproximadamente el 20% de la velocidad de la luz (esto también confirma que ir a lo clásico no es una elección completamente terrible)).

Según la segunda ley de Newton, esta aceleración significa que deberá suministrar a su nave espacial de cinco libras con una fuerza de:

F = m * a = 5lb * 33km / s ^ 2 = 76kN

Si la vela es un espejo perfecto entonces necesitas golpearlo con

P = F * c / 2 = 11TW

Once TeraWatts de poder es tu respuesta. Eso es un poco menos que la producción media del mundo. Por supuesto, podría reducirlo en un factor correspondiente a la eficiencia del espejo, si lo devuelve a la nave como se muestra en la figura.

Answer 5

En su punto más cercano en 2016, Marte está a 75 millones de kilómetros de distancia, o un poco más de 4 minutos de luz. Para llevar un objeto a Marte en 30 minutos, necesitarás que el objeto viaje aproximadamente a una octava parte de la velocidad de la luz. Más rápido, de verdad, si necesitas tiempo para acelerar.

Acelerar de la nada a 1/8 de la velocidad de la luz en menos de 30 minutos suena como una gran aceleración. 160 millones de millas por hora? No creo que ningún material conocido por el hombre pueda sobrevivir.

Answer 6

No sé las matemáticas detrás de esto. Tiene algo que ver con la fuerza de la luz, y tiene que ser bastante fuerte. La única razón por la que sé esto es porque tres de mis amigos son genios matemáticos y bromeaban sobre un T-rex volador con ametralladoras para manos y láseres para pies. Entonces uno de ellos hizo los cálculos sobre qué tan poderosos deberían ser esos láseres para impulsar su máquina de muerte voladora imaginaria, y descubrió que para que incluso se despegue del suelo, el láser habría sido lo suficientemente fuerte como para perforar un agujero a través del Todo el planeta.

Entonces, si aplicamos este conocimiento y lo escalamos para volar 54,6 millones de kilómetros en 30 minutos, creo que podemos concluir que este láser hará que la estrella de la muerte se vea como un arveista.

Answer 7

Umm … Bueno, depende de la masa de la nave, pero estás hablando de acelerar una nave espacial a solo una sombra debajo de c / 2. De la misma manera en que funciona la mecánica orbital, no hay forma de presionar el botón y empujar una nave espacial a Marte, para llegar 30 minutos después. Marte está a 12 minutos luz. Quieres cubrir 40,000,000 millas en media hora. Estás tratando de acelerar una nave espacial casi instantáneamente a 80,000,000 mph. No.

No.

No menos importante, porque perderá la línea de visión antes de impartir suficiente impulso a la nave espacial.

Answer 8

Para llegar allí en 30 minutos, la velocidad de la nave tendrá que promediar una fracción grande de la velocidad de la luz. No va a pasar

Para una escala de tiempo más realista, primero ponga su Plataforma de lanzamiento en la Luna.