Quanto combustível um navio usa no Expanse?

So, considering the fast but inefficient engines of The Expanse

O ponto inteiro dos motores em o Expanse, chamado "drives Epstein", é que eles são não "rápido e ineficiente". Eles são de fato extremamente eficientes. E, é claro, completamente fictício e indistinguível da magia - a maior parte da física da série de livros e séries é realista, mas a existência das unidades Epstein altamente eficientes é o principal aceno manual que eles tiveram que fazer para apresentar uma coleção colonizada. sistema solar (enquanto ainda confina a humanidade ao sistema solar).

Não me lembro de quanto a série de TV falou sobre os drives Epstein, mas a tecnologia é introduzida na primeira página do primeiro livro da série (Leviathan Wakes) e explica imediatamente como o sistema solar foi colonizado.

Há também uma pequena história chamada distância, que é um prequel focado na invenção da unidade Epstein. Pode ser lido on-line gratuitamente no site da Syfy: http://www.syfy.com/theexpanse/drive/prequel.php - pode fazer com que você possa suspender sua descrença sobre esse assunto.

While the engines are on, the ship is accelerated to simulate gravity (in this case, accelerated at 9.8 meters per second, simulating Earth's gravity).

O drive Epstein também pode suportar acelerações mais altas sem problemas, para alcançar o destino mais rapidamente. A limitação da aceleração aqui é o corpo humano, mas existem coquetéis de esteróides que permitem que os humanos sobrevivam a queimaduras muito altas por curtos períodos de tempo. Os seres humanos criados na Terra podem sobreviver um pouco mais alto que o 9.8 m / s² sem problemas, enquanto os dos asteróides preferem ainda mais baixo do que isso.

É claro que os navios que viajam em uma queima sustentada precisam girar no meio do caminho e depois queimar na direção oposta para diminuir a velocidade, o que dá aos passageiros a mesma gravidade simulada ao longo da jornada (com exceção do lançamento).

O Equação de foguete de Tsiolkovsky fornece uma fórmula geral, aplicável a qualquer momento do foguete que dispara pelas costas para acelerar na direção para a frente, o que pode indicar a proporção entre a massa inicial, incluindo o combustível e a massa final, depois que o combustível é gasto, dados os valores de " velocidade efetiva de escape "(dada para diferentes tipos reais e de foguetes hipotéticos aqui e aqui), a taxa de aceleração durante a queima do foguete e a mudança na velocidade do foguete entre o início e o fim da queima. No esta resposta Fiz algumas substituições e rearranjos na versão relativística da equação do foguete Tsiokolvsky, para obter uma fórmula que lhe desse a razão de massa inicial / final expressa em termos de velocidade de escape efetiva V, aceleração A e distância percorrida D entre o início e fim da queima do foguete (expresso em unidades em que a velocidade da luz é 1, como segundos e segundos-luz):

e ^ ((1 / V) * atanh ((A * sqrt ((D) ^ 2 + (2 * D / A))) / (sqrt (1 + (A * sqrt ((D) ^ 2 + (2 * D / A))) ^ 2)))))

Como observei na resposta, esta equação é para aceleração contínua em uma direção, mas se você quiser descobrir a razão de massa, considerando que você acelera por uma distância de D / 2 e desacelera para outra D / 2, basta substituir D / 2 na equação acima e quadrá-la, fornecendo:

(e ^ ((1 / V) * atanh ((A * sqrt ((D / 2) ^ 2 + (2 * D / (2A)))) / (sqrt (1 + (A * sqrt ((D / 2) ^ 2 + (2 * D / (2A)))) ^ 2))))) ^ 2

Então, você pode simplesmente copiar e colar esta equação no esta calculadora online acessível, pressione o botão "executar" e preencha os valores desejados para V, A e D para obter a taxa de massa. Unidades úteis para viagens dentro do sistema solar podem ser horas e horas-luz. Nesse caso, uma aceleração 1g funciona para A = 0.00011776 e 1 unidade astronômica (AU) funciona para D = 0.138612. A Terra tem uma distância orbital média da 1 AU e Ceres tem uma distância média da 2.7675 AU, portanto, a abordagem mais próxima é a 1.7675 AU (ou D = 0.245 horas-luz) e a mais distante é a 3.7675 AU (D = 0.522 horas-luz )

Para um foguete antimatéria de máxima eficiência, onde todo o escape dispara na velocidade da luz, temos V = 1 e, com A = 0.00011776 e D = 0.522, a segunda longa equação indica que a massa inicial incluindo combustível seria apenas vezes 1.0158 maior que a massa final no final da viagem, portanto, você tem apenas toneladas de combustível 0.0158 para cada tonelada de massa de carga útil.

Mas um foguete de antimatéria é uma tecnologia bastante futura, mais realista seria algum tipo de navio tocha que possui alta aceleração e alta alteração de velocidade, em comparação com sistemas existentes, como acionamentos de íons (alta alteração de velocidade em comparação com foguetes químicos, mas aceleração muito baixa; portanto, o tempo para atingir essa alteração na velocidade é grande) ou foguetes químicos (alto pressão, mas uma mudança de velocidade muito menor do que uma unidade de íons, para uma dada massa de combustível). Além de tecnologias realmente avançadas, como unidades de antimatéria, a tecnologia mais provável seria algum tipo de unidade nuclear; o gráfico aqui mostra que as velocidades de escape para vários tipos de reações de fusão nuclear como frações da velocidade da luz, e lista de motores de foguetes gigantes Eu postei anteriormente também mostra vários foguetes termo-nucleares que usam fissão (procure por aqueles com 'NTR' na coluna 'código' do gráfico). Esse gráfico fornece velocidades efetivas de exaustão em metros / segundo, mas você pode dividir por 299792458 m / s para obter a velocidade efetiva de exaustão como uma fração da velocidade da luz; Eu não me incomodaria com nada que tivesse uma velocidade efetiva de exaustão muito menor do que a 0.004 vezes a velocidade da luz (cerca de 1.2 milhões de metros / segundo) ou 0.003 (cerca de 900,000 metros / segundo), desde que eu as inseri em V na equação que dei enquanto manter os outros valores de A = 0.00011776 e D = 0.522 indica uma taxa de massa de cerca de 50 para V = 0.004 (o que significa que você precisa de cerca de 49 toneladas de combustível para cada tonelada de carga útil) e 186 para V = 0.003 (185 toneladas de combustível para cada tonelada de carga útil).

Examinando, existem muito poucos exemplos no gráfico que possuem uma velocidade de exaustão na faixa de 1 milhões de m / s ou superior e possui um empuxo alto na faixa de milhares de Newtons (necessário se você deseja a aceleração 1 g); na verdade, parece que nenhum dos projetos de fissão termoelétrica estaria em qualquer lugar perto da faixa certa; portanto, uma unidade de fusão nuclear (rotulada como 'Fusion' ou 'Pulse' na coluna 'código') pode ser a alternativa mais provável antimatéria. No entanto, próximo ao final do gráfico, há um chamado "NSWR (90% UTB) MAX", que acaba sendo um projeto baseado em fissão nuclear usando um reação nuclear da água salgada, com esta opção específica assumindo um sal de urânio muito enriquecido, em que "a solução de brometo de urânio 2% utilizou urânio enriquecido em 90% U235 em vez de apenas 20%". Nesse caso, a velocidade de exaustão teórica seria 4700000 metros / segundo e, se você dividir por 299792458 m / s, concluirá que V = 0.0157 está conectado à equação que fornece uma razão de massa de apenas 2.7 ou 1.7 toneladas de combustível para cada tonelada de carga útil. Portanto, isso poderia ser uma boa opção para um tipo de tecnologia que se encaixa nos parâmetros básicos e não é tão avançada quanto um foguete de fusão ou antimatéria.

A resposta para uma questão de quantidade de combustível está bem definida na série - muito pouco.

Combustível

O combustível é descrito como "pellets" para reatores de fusão. Os pellets são pequenos o suficiente para ter um "caixote" deles deitado no navio e transportados por uma pessoa que agarra o caixote. Portanto, não algo carregado por tonelada.

O reator é descrito como uma pequena massa de fusível de combustível e libera grandes quantidades de energia.

No primeiro livro, Rocinante é descrito com granulados de combustível suficientes carregados para "trinta anos" de uso do reator.

Drives

O tocha As unidades, descritas na série como tecnologia mais antiga com uso atual limitado a embarcações muito pequenas, também precisam de quantidades significativas de propulsor (que normalmente parece ser água na configuração). Eles parecem funcionar com o princípio da unidade de fusão aquecendo e ejetando o propulsor para gerar empuxo.

A corrente Epstein as unidades parecem precisar de muito pouco ou nenhum propulsor. Eles são descritos como sendo uma variação da unidade de fusão que pode de alguma forma converter energia em impulso de maneira altamente eficiente. Os detalhes são propositadamente omitidos, é uma coisa mágica em que o cenário depende.

Economia

O preço do combustível no livro é vagamente comparado a menos do que o queijo importado na região dos planetas externos.

Sempre que o reabastecimento de Rocinante parece ser um terço distante: reparos e munição, depois consumíveis humanos, depois consumíveis tecnológicos como propulsor e combustível.

Embora os navios sejam mencionados como caros, o fato de pirataria espacial viável no cenário parece indicar que corrida o navio, se você já tiver um, é acessível e não depende de nenhum suprimento controlado de combustível.

Viagem

O modelo adotado de viagem espacial parece conter seres humanos como fator limitante.

Os navios são descritos como capazes de gerar facilmente acelerações que simplesmente matam qualquer tripulação humana. Portanto, o fator limitante da velocidade de viagem é o treinamento da tripulação - as forças armadas são treinadas para (e podem receber ordens para) manter alta aceleração por tempo prolongado, os civis nem tanto.

Ainda assim, parece ser suficiente o suficiente para os navios "irem" para onde precisam, em vez de considerar / usar a gravitação de planetas para acelerar e se preocupar com sua posição conveniente.

No geral

A configuração afirma que os acionamentos Epstein usados ​​para propulsão espacial são incrivelmente eficientes no uso de uma pequena massa de combustível para propulsão. sem (?) uso de propulsor Livros posteriores parecem dizer que Epstein ainda dirige do precisa de propulsor e reabastecimento ocasional, apenas muito menos do que os acionamentos da tocha.

O drive Epstein usado no Expanse está dentro da janela do que é teoricamente possível para um drive de fusão, de acordo com Este artigo. Em "Drive", o protótipo original de Epstein chega a 5% de c antes de ficar sem combustível, portanto, podemos assumir que o Nauvoo chegará a 2.5% de ce seguirá por alguns séculos antes de desacelerar em seu destino.

Bem, eles usam reatores de fusão. Na fusão hidrogênio-hidrogênio, 0.71% do combustível é convertido em energia (E = mc ^ 2 * 0.0071). Isso ainda é muita energia devido ao termo c ^ 2 estar lá. Como essa energia é utilizada para produzir empuxo é uma questão não resolvida, mas parece-me que um navio com algumas toneladas de combustível poderia viajar virtualmente com o 1 g por anos antes de ficar sem combustível. Este curso fora do curso depende da eficácia do motor que é desconhecida para nós.