Energia
Część I
Konieczne jest założenie.
Konieczne jest założenie.
Założenie:
nasz statek kosmiczny będzie ważył 1000 ton, czyli milion
kilogramów. Dużo, mało? Mało. Tak mniej więcej dwa duże, te z
największych, zatankowane samoloty (takie jak A380). W tym milionie
kilogramów musi się zmieścić załoga, silniki, źródło energii,
zapasy, systemy ratunkowe, systemy podtrzymywania życia, narzędzia,
komunikacja, systemy sterowania, systemy ochronne itd. itd. Wszystko
to, co niezbędne, żeby kilkadziesiąt lat, kilkanaście lub
kilkadziesiąt osób przeżyło. To naprawdę niewiele.
Międzynarodowa stacja
kosmiczna waży trochę ponad 400 ton (a zapasy są regularnie
dostarczane). Żyje na niej 6 osób. Nie jest samowystarczalna.
A
nasz pojazd musi być trochę lepiej wyposażony od A380 i lepiej od
międzynarodowej stacji kosmicznej. 1000 ton to naprawdę mało. Ale
za to piękna okrągła liczba (nie buduję statku - jeszcze;
określam problemy w budowie statku kosmicznego).
Zakładam,
że mamy już nasz statek w przestrzeni kosmicznej i bum, startujemy,
Przyśpieszenie na poziomie 1g czyli 10m/s2 wymaga siły 10 milionów
niutonów (10 MN, 10 000 kN; a to wynika z prostego wzoru:
F(siła)=m(masa)xa(przyśpieszenie).
Aby uzyskać zakładaną
prędkość musimy ten ciąg utrzymywać przez 10 mln sekund (cztery
miesiące).
Mija
cztery miesiące i mamy docelową prędkość, która wiąże się z
docelową energią kinetyczną (E=mv2/2 – w ujęciu Newtonowskim a
nie Einsteinowskim). Czyli musimy pomnożyć milion (masa) przez 100
milionów (prędkość) przez 100 milionów (znowu prędkość) i
podzielić przez 2. Wynik: 5 i 21 zer J (dżuli). Taką energię (a
właściwie pracę) musimy włożyć w nasz pojazd, żeby rozpędzić
go do zakładanej prędkości. Czy to dużo? Tak, to dużo energii. 5
i 21 zer, czyli 5 bilionów gigadżuli. Też brzmi nieźle. Ile to
właściwie jest?
W
programie Apollo (podczas którego podobno ludzie spacerowali po
księżycu), za wynoszenie wszystkiego w kosmos odpowiedzialne były
rakiety Saturn, napędzane przez pięć silników F1 (nie tych
samochodowych). Jeden silnik waży ponad 8 ton. Uzyskiwał ciąg
prawie 7 MN (7 000 kN), czyli nasz pojazd wymaga półtora silnika
F1. Jeden potrzebuje ponad 2,5
tony paliwa (rakietowa nafta plus ciekły tlen) na sekundę. Napiszę
to jeszcze raz: 2,5
tony paliwa na sekundę. Czyli my potrzebujemy mniej
więcej 4
tony.
4
tony
na sekundę pomnóżmy przez 10 milionów sekund (czas
przyśpieszania). Wynik: 40
milionów ton. 40
tysięcy razy więcej niż masa samego pojazdu. Oczywiście w jedną
stronę. Oczywiście bez hamowania. Lubię takie liczby - one nic nie
mówią. Co to znaczy 40
tys. razy więcej? To znaczy, że idziesz po fajki, albo idziesz
dookoła Ziemi. Mniej więcej taka różnica.
Oczywiście silnikami
rakietowymi nie osiągniemy zakładanej prędkości. To był tylko
taki przykład. Silnikami rakietowymi nie osiągniemy nawet promila
(1/1000) zakładanej prędkości. I to nawet nie dlatego, że trudno
będzie zabrać kilkadziesiąt milionów ton ciekłego tlenu, ale
dlatego, że odrzut gazów w silnikach rakietowych ma zbyt małą
prędkość.
Nie tędy droga.
Jeszcze jedno. Żeby nie
umknęło, bo problem powróci. Jeżeli startowalibyśmy naszym
pojazdem (1000 ton) z naszymi zbiornikami paliwa (40 milionów ton)
to nasz cały układ ważyłby 40 milionów ton (pomijam te 1000 ton,
to maleńki ułamek). Żeby tej masie nadać przyśpieszenie na
poziomie g, potrzebujemy (40 milionów ton, 40 miliardów kilogramów)
siły ciągu w okolicach 400 miliardów niutonów, czyli 40 tysięcy
razy większej niż siły potrzebnej do przyśpieszenia samego
pojazdu. Przy tych samych założeniach (tak absurdalnych, że aż
nie chce się wierzyć), potrzebujemy 160 tysięcy ton paliwa na
sekundę. W chwili startu. Później jest łatwiej. Czyli musimy
zabrać więcej paliwa. Ale więcej paliwa to większa masa więc
więcej paliwa i większa masa. I tak dalej i tak dalej. Ale w końcu
te wartości się spotkają. Kiedy? Przy jakiej masie? Czy w ogóle
jest sens zapisać tę funkcję i to liczyć?
Nie tędy droga.
CDN (Energia).
Brak komentarzy:
Prześlij komentarz