В данной статье пойдёт речь об орбитальном бестопливном электромагнитном ускорителе (требуется только электричество), основанном на не очевидном факте того, что закон сохранения импульса требует от нас чтобы при ускорении мы от чего-нибудь отталкивались = ускоряли что-то в противоположную сторону — но это вовсе не означает что мы должны что-то тормозить/замедлять. Если мы двигаемся вперед со скоростью 7,9 км/с, и бросим 2 тела влево/вправо со скоростью 7,9 км/с — то они оттолкнутся друг от друга, оба ускорится до 11,2 км/с и оба покинут гравитационное поле Земли. (просто в разных точках).
Ускоритель может работать только уже находясь на орбите и для вывода грузов с Земли не поможет (вернее, конкретно такой вариант не может ловить грузы с Земли), т.е. И ускоритель, и «электрички» уже изначально должны находится на круговой орбите Земли = двигаться 7,9 км/с, а дальше ускоритель может разгонять электрички в противоположные стороны, перпендикулярные текущему направлению движения. По многим причинам вертикальное ускорение (вверх/вниз) гораздо удобнее чем влево/вправо и я буду рассматривать его, а в качестве цели, давайте возьмем Луну.
Третий закон Ньютона говорит нам:- «Сила действия равна силе противодействия», т.е. Если что-то вылетело 7,9 км/с в одну сторону, то что-то должно вылететь 7,9 км/с в противоположную сторону — но это при одинаковых массах, и для вертикального ускорения нам понадобится разница в массах. Если ускоритель будет в ~45 раз массивнее электрички, то он ускорится всего на 200 м/с.
Итак: выводим электричку и ускоритель на круговую орбиту Земли, поворачиваем ускоритель вверх, ждём пока Луна окажется прямо над нами (вернее нужно небольшое опережении Луны, но пока я объясню на простых примерах, а более точные параметры посмотрим в орбитальном симуляторе), включаем электромагнитное поле и ускоряем электричку на 50 м/с за секунду до 7,9 км/с вверх.
Изначально электричка двигалась «влево» со скоростью 7,9 км/с, + она получила 7,9 км/с вертикальной скорости, складываем векторы и получаем 11,2 км/с под углом 45 градусов к горизонту.
Сам ускоритель получит +200 м/с вниз и отклонится на -1,5 градуса от горизонта. Если всё это сделать на орбите МКС (400 км), то ускоритель «упадёт» на 171 км (перицентр уменьшится на 171 км).
Более наглядный пример с большими орбитами
При вертикальном ускорении вниз на 200 м/с, перицентр уменьшится всего на 171 км, до 229 км (низкая опорная орбита 180 км, Джеф Безос летал на 107 км), а апоцентр при этом увеличится на 181 км, но апоцентр нам не интересен — нам нужна другая точка — полностью противоположная той, где ускоритель ускорился вниз, через ~45 минут ускоритель сделает пол-оборота вокруг Земли, а гравитация поменяет все импульсы на полностью противоположные и если на противоположной стороне планеты ускоритель «падал» 200 м/с (двигался К центру Земли), то теперь он будет «взлетать» 200 м/с (двигаться ОТ центра Земли) и из этой точки нужно запустить вторую электричку на Луну.
После запуска второй электрички ускоритель потеряет 200 м/с которые получил в прошлый раз и вернётся на исходную круговую орбиту (будет небольшая разница в расходах энергии в первом случае мы тратим энергию не только на ускорение груза, а еще и на ускорение ускорителя, но во второй раз мы заберём эту энергию у ускорителя, а в сумме получится, что вся энергия ушла только на разгон электричек.
Итого: имеем 2 тела летящие в противоположные стороны, оба являющиеся полезной нагрузкой и оба смогут попасть на Луну (просто в разное время), потратили только электричество.
Сколько нужно электроэнергии?
КПД электромагнитных ускорителей сильно варьируется и предсказать его довольно трудно, и в данной статье я рассмотрю лишь насколько вообще такой ускоритель может быть эффективен по сравнению с ракетами при 100% КПД и примерно опишу структуру «себестоимости» (что от чего зависит, и потом это уже можно будет делить на КПД и умножать на другую мощность солнечных панелей и т.п.). Для удобства давайте возьмём целевую скорость 11,2 км/с — вторая космическая скорость для Земли (для Луны нужно всего 11,1 км/с, но это еще зависит с какой высоты стартовать). Энергия второй космической скорости равна 11,2^2/2=62,7 МДж, а энергия первой космической (идеально круговая орбита) 7,9^2/2=31,3 МДж (они отличаются ровно в 2 раза по энергии). Следовательно, для запуска 1 кг на Луну нам надо 31 300 000 Дж. Солнечные панели на МКС производят 29 Вт на килограмм
<!– @page { size: 21cm 29.7cm; margin: 2cm } P { margin-bottom: 0.21cm } –>
Статья 2016 года, т.е Это уже с учетом того, что они устарели и морально (18 лет) и физически (18 лет).
Итак. 1 кг солнечной панели производит 29 Вт в секунду, КПД ускорителя мы взяли 100%, поэтому просто делим 31 300 000/29 = 1 079 310 секунд = ~300 часов = ~12,5 суток (длина «дня» зависит от орбиты, и может быть равна 100%), таким образом килограммовая солнечная панель может отправлять на Луну 1 кг каждые 2 недели, а за 20 лет своей работы, она сможет отправить 586 кг!!! Ещё нужно учесть то, что чтобы отправить 1 кг груза с помощью ракеты нужно 2 кг топлива при Удельном импульсе 3 км/с, т.е. 1 кг панель экономит 2 кг топлива за 2 недели. Т.е. Электромагнитное ускорение при 100% КПД более чем в тысячу раз эффективнее чем реактивное. Даже при 10% КПД, ускоритель будет в 100 раз эффективнее, чем постоянное выбрасывание ракетного топлива. При этом, в статье из которой я взял данные по удельной мощности панелей на МКС описываются арсенид-галлиевые ФЭП способные увеличить удельную мощность в 5,4 раза до 156 ватт на килограмм. Поэтому расчетов для ускорителя с КПД 100% особо не пугайтесь, я буду брать очень устаревшую мощность солнечных панелей.
Длина ускорителя
При перегрузке 5g (ускорение 50 м/с^2 до 8 000 м/с, за 2,5 минуты), длина ускорителя составит 640 километров (~10% Радиуса планеты, орбита МКС 400 км) — ну а вы что хотели? — микроволновку в ведре которая сама себя ускоряет? — ну так не бывает, чтобы много сэкономить — нужно сначала много инвестировать. Разница в ускорении свободного падения на краях от центра ускорителя будет ~0,76 м/с^2 (приливные силы). Обычный крановый трос на Земле выдерживает ~25 км собственного веса (при 9,8 м/с^2), т. е. При 0,76 м/с^2 крановый трос выдержит в 13 раз большую длину = 325 км, при этом, 0,76 м/с^2 — это приливные силы на краях и при приближении к центру они будут уменьшаться и поэтому можно смело умножать максимальную длину троса на 2 и получается как раз 650 км, к тому же основная нагрузка будет на центр — его будет тянуть в противоположные стороны, а в 10 метрах от центра нагрузка будет уже в 2 раза меньше — в общем никаких сверхпрочных материалов не надо и прочность ускорителя должна быть как у обычного кранового троса. Причем, вертикальный ускоритель, будет находится в приливном захвате и постоянно направлен ровно вверх, а приливные силы будут гасить любые колебания ускорителя — и никакие дополнительные системы ориентации/стабилизации вертикальному околоземному ускорителю не нужны.
Схема окупаемости ускорителя, такая же как у наземной дороги (да и вообще у любого инфраструктурного объекта) — он должен быть максимально загружен (никто не строит дорогу, чтобы по ней ездила 1 машина в сутки), поэтому чем чаще ускоритель будет запускать грузы — тем быстрее он окупится. Если запускать по 1 тонне в секунду (это грузопоток по 1 полосе обычной дороги при 80 км/ч), то за 2 месяца можно отправить на луну 5 миллионов тонн — пирамида Хеопса весит около 6 млн тонн (масса ускорителя тоже будет несколько миллионов тонн). Такой грузопоток с Луной трудно представить, по крайней мере сейчас — но если уменьшить ускоряемые грузы в 1000 раз — до одного килограмма, то за месяц можно отправить 2 500 тонн, а ускоритель будет весить всего 640 тонн, масса МКС 420 тонн — всего в 1,5 раза больше МКС (но это только сам ускоритель, про массу энергоустановки чуть далее). За всю Лунную программу Аполлон 60-х годов, все 8 ракет Сатурн 5 отправили к Луне суммарно ~300 тонн, а тут 2 600 тонн, почти в 9 раз больше, и это за месяц, при этом в ускорителе будут одновременно ускоряться 150 грузов, а среднее расстояние между ними будет 4 километра — это пустой ускоритель, и это даже не близко к полной загрузке.
В общем чем меньше ускоряемые грузы — тем лучше, и в идеале, нужно отправлять на Луну маленькие килограммовые ракетки с едой (и другими мелкими грузами), которые долетят до Луны, выйдут на максимальную орбиту, передадут еду на сортировочную станцию и отправятся обратно. А людей на Луну лучше отправлять всё же на обычных ракетах. Причем мелкими грузами можно отправлять и топливо для заправки больших ракет, надо ведь не только долететь до Луны, а еще и приземлиться 2,6 км/с, обычной ракете для такого ускорения нужно сжечь ~1,4 тонны топлива на каждую тонну полезной нагрузки (на Луне естественно тоже можно построить ускоритель, причём на Луне такой ускоритель будет 4 раза короче и в МИЛЛИОН раз эффективней ракет, но пока давайте разберемся с Земным, а на Луне будем пользоваться обычными ракетами), а если вы собираетесь ещё и вернуться с Луны, то нужно 4,8 тонны топлива, а чтобы при подлёте к Луне у ракеты осталось 4,8 тонн топлива, нужно сжечь 10 тонн топлива при старте с орбиты Земли — и вот эти 10 тонн топлива можно сэкономить с помощью ускорителя, чтобы отправить 4,8 тонны топлива для посадки на Луну — нужно 8 килограмм солнечных панелей — чувствуете разницу? 10 тонн топлива или 8 кг солнечных панелей (т. е. За 20 лет работы, 8кг солнечных панелей смогут отправить на Луну 4,8 тонны, при 10% КПД понадобится 80 кг СП).
Масса, мощность и «плотность энергии» ускорителя
Для запуска груза массой 1 кг в секунду понадобится мощность 32 МВт =~43 500 лошадиных сил (при 100% КПД). Мощность среднего ядерного реактора звучит пугающе… пока мы не сравним её с общей длиной ускорителя — 640 километров. Делим одно на другое и получаем 50 Ватт на метр — т.е. За 1 метр пробега, груз должен получать от ускорителя 50 Джоулей. Основная проблема заключается в том, что нужно очень быстро менять электромагнитное поле (включать там где груз есть и отключать там где груза нет — от этого и зависит КПД) — вернее лет 20 назад была такая проблема. Последний метр пути груз пройдет за 0,000125 секунд, процессор с частотой 3 ГГц за это время сделает 375 000 тактов — т.е. современные компьютеры вполне могут активно контролировать процесс на скорости 8 км/с.
Теперь давайте примерно прикинем, какая будет масса 1 метра конструкции, которая потребляет 50 Ватт в секунду? Современный процессор потребляет ~100 Ватт, а весь компьютер 500-1000 Вт. Вряд ли метр конструкции которая потребляет 50 Вт будет весить больше 1 кг, например медная труба диаметром 200 мм толщиной стенки 0,1 мм будет весить 0,56 кг (медная проволка обмотанная вокруг чего-нибудь), если мы возьмём массу конструкции 1 кг*метр, то общая масса составит 640 тонн (масса МКС 417 тонн) — ускоритель не такой уж и тяжелый. При 50 Вт*метр, понадобится почти 2 кг солнечных панелей, но я напомню, что при таком потоке, за месяц можно отправить 2 600 тонн!!! При этом масса ускорителя 640т + 1100 тонн панелей = 1740 тонн. Солнечных панелей естественно можно поставить гораздо меньше (дешевый кинетический аккумулятор для СП на 15 минут зарядки будет весить ~0,1 кг). А можно и не ставить меньше солнечных панелей, а обвешать ускоритель крупногабаритной полезной нагрузкой и отправить всё это на Луну вместе с ускорителем — ускоритель ведь тоже может ускоряться — мы можем держать орбиту круглой, а можем и не держать — и после каждого запуска мелкого груза, ускоритель тоже будет медленно ускорятся и со временем тоже сможет добраться до Луны. Чтобы получился баланс 50% отправка мелкими партиями и 50% всё остальное придется увеличить мощность в 2 раза — до 100 Вт*метр (при мощности 200 Вт*метр получится соотношение 25/75 (25% мелкие грузы 75% всё остальное).
Давайте посчитаем с конца, допустим мы хотим добраться до Луны за год (360 дней), у нас есть 640 тонн ускорителя и 360 тонн солнечных панелей (=1000 тонн), СП «окупается» за 12,5 дней = за 360 дней СП окупится 28,8 раз, т.е. Отправит в 28,8 раз больше собственной массы, 360*14,4=10 368 тонн. Половину нужно будет отправить мелкими партиями 5 184 тонн, а другие 5 184 тонны — отправятся вместе с ускорителем, 1 000 тонн ускоритель + СП, а остальные 4 184 тонны — это полезная нагрузка любого размера. Для соотношения мелкие/крупные грузы 50/50, ускоритель должен еще уметь поворачиваться, что конечно не просто для длины 640 км и массы 640 тонн (полезную нагрузку вращать не надо), но и не невозможно — чем дальше ускоритель от Земли — тем меньше приливные силы.
Окупаемость СП напрямую зависит от КПД ускорителя, и при 50% конечно всё будет уже не так красиво (потребуется в 2 раза больше времени), но мы брали мощность дряхлой солнечной панели запущенной на орбиту в прошлом тысячелетии. В той же статье, из которой я взял цифру 29 Вт*кг — специалисты РКК «Энергия» предлагали увеличить удельную мощность СП в 5 раз — до 150 Вт*кг, т.е. Даже при КПД 20%, получится то, что мы считали при 100% КПД. К тому же, мы брали срок службы СП 20 лет, а на МКС они уже 24 года работают, и еще 5 лет будут работать, да и в целом срок службы СП можно увеличить в несколько раз используя не прямой солнечный свет, а свет отраженный от зеркала – солнечную радиацию зеркало отражать не будет и все тяжелые частицы солнечного ветра будут портить фольгу, а не солнечную панель. Также можно увеличить и световой поток падающий на СП, зеркало — это просто фольга которая ничего не весит. В общем, с КПД ускорителя лучше даже не заморачиваться (для ~100% нужны сверхпроводники), а гораздо проще увеличить удельную мощность (современные панели в 5 раз мощнее по массе) и срок службы самой СП.
В общем, орбитальный ускоритель около Земли, даже при КПД 10% будет в сотни раз эффективней ракет и при массе как 5 МКС (2000 тонн) сможет отправлять на Луну свою массу каждые несколько месяцев на протяжении десятков лет и при этом не требует ни сверхпроводников, ни сверхпрочных материалов. Причем ускоритель может еще и сам добраться до Луны своим ходом неся крупногабаритную полезную нагрузку, используя в качестве рабочего тела мелко габаритную полезную нагрузку.
Цена ускорителя
Сегодня, ракета Falcon 9 выводит на орбиту Земли 22,8 тонны за 62 млн долларов, вывод на орбиту 2 000 тонн потребует 88 запусков — это будет стоить ~5,5 миллиардов долларов, причем, наверняка вы слышали про Лунный Starship Илона Маска, который сначала выйдет на орбиту Земли с пустыми баками -> потом его заправят за несколько запусков -> посадят туда около 100 человек и отправят на Луну — И вот этот Старшип после загрузки будет весить 1 500 тонн. Т.е. Суммарная масса ускорителя, чуть больше чем у Старшипа, который собираются отправить на Луну.
А на орбите Луны у такого ускорителя появляются просто шокирующие возможности — он будет в 4 раза короче/легче и в миллион раз эффективней, сможет подхватывать грузы из суборбитального полёта и выкидывать их на Землю. Т.е. Для отправки 1 кг с Луны на Землю, нужно будет просто подкинуть груз на 20 км вверх и попасть в ускоритель (груз должен уметь маневрировать и быть немного ракетой, но для манёвров потребуется сжечь гораздо меньше 1% массы). Луна в 81 раз легче Земли и чтобы выкинуть 1 кг потребуется в 20 раз меньше энергии —3,44 МДж (2,8 МДж 2-ая КС + 0,64 МДж орбитальная скорость самой Луны) — это 0,95 киловатт/часов электроэнергии — которая у вас в счетчике, а дряхлая солнечная панель массой 1 кг с МКС мощностью 29 Вт производит столько энергии за 33 часа, а за 20 лет она сможет выкинуть 5,3 тонны с Луны — и это 1 килограммовая СП. По сути, такой ускоритель на орбите Луны, сделает доставку грузов с Луны в любую точку Земли за 5 дней, дешевле чем возить грузы на расстояние 5 000 км по Земле. По сути, такой ускоритель на орбите Луны, позволит создать на Луне конкурентноспособную экономику в которой Луна будет к Нью-Йорку ближе, чем Лондон.
P.S.
Существует распространенное заблуждение, что проблема ракет — в их неэффективности, но на самом деле, ракетные двигатели — одни из самых эффективных типов двигателей и при разгоне с 0 до 6 км/с КПД ракетных двигателей достигает 60%. Проблема в энергии, при сгорании 1 кг бензина на Земле — выделяется ~42 МДж, но это на Земле, когда у нас есть бесконечное количество кислорода, а основная масса топлива — это как раз кислород, его нужно в 4-5 раз больше и по этому, суммарная энергоёмкость топлива составляет всего 7-8 МДж*кг – если передать 8 МДж 1 кг то его скорость составит 4 км/с. Солнечная панель производит очень мало энергии — всего 29 Вт, но зато она может делать это много лет, и за 20 лет СП произведет 18 290 МегаВатт/сек, при 100% КПД преобразовании этой энергии в скорость 1 кг груз можно разогнать до скороcти 191 км/с — по сути, это «удельный импульс» солнечной панели — отсюда и берётся экономия в тысячи раз для Земли и в миллионы раз для Луны (на Луне ускоритель может не только ускорять, но и тормозить грузы). А все попытки сделать ядерную ракету или ионную — это тоже самое, что пытаться выжать из одной лошади 2 лошадиных силы — проблема в самих ракетах, и нужно менять саму технологию ускорения — нужна орбитальная инфраструктура, которая к слову не такая уж и тяжелая.
P.P.S.
Ищу энтузиастов, для продвижения орбитальных ускорителей в массы, есть много вариантов по уменьшению длины ускорителя (в 7-15 раз), но на описание и расчеты у меня уходит очень много времени (эту статью я писал около года), главное чего мне не хватает, дак это умения связывать 100 слов в один абзац — у меня с этим совсем плохо (неделю могу 1 абзац писать, как псих из сияния).
Ну и если вы хотите сделать Луну ближе чем Китай, то обязательно сделайте репост этой статьи в социальных сетях.
Немножко настроения для тех кто сделал репост (плейлист из 3-х песен) – поначалу будет тяжело: огненная атмосфера, перегрузки, бензин… но зато потом… Всё будет по другому.
Моя почта [email protected]