Civilización de Springs, 4/5

Parte 4. Carreteras e intersecciones.


La parte anterior y su resumen .


Al leer esta secci√≥n, debe comprender: todo lo que se enumera aqu√≠ no funciona o ... es potencialmente peligroso. Para cualquier oportunidad de dirigir y concentrar la energ√≠a, primero se encuentra la aplicaci√≥n militar. Genghis Khan someti√≥ la mitad del continente, dirigiendo la energ√≠a de la hierba en crecimiento (a trav√©s de los caballos) a las necesidades militares. Inglaterra coloniz√≥ la mitad del planeta, a horcajadas sobre la energ√≠a e√≥lica. Los primeros concentradores r√°pidos de energ√≠a qu√≠mica fueron proyectiles incendiarios de petr√≥leo y bombas de polvo. El motor de combusti√≥n interna arrastr√≥ la armadura de dos guerras mundiales a trav√©s de los campos y pantanos, y contin√ļa sirviendo innumerables enfrentamientos en todo el mundo. Y la energ√≠a at√≥mica primero trajo al mundo una bomba, y solo entonces un reactor pac√≠fico. Cualquier oportunidad para frenar nuevas corrientes de energ√≠a, concentrarla o liberarla r√°pidamente es probablemente monitoreada por los militares.

Pero si cada elemento de la secci√≥n es fantas√≠a o guerra, ¬Ņpor qu√© escribir? ¬ŅNo es mejor guardar silencio?

Hmm ... "Me gustaría ser un avestruz, pero el piso es de concreto". Creo que escribir es necesario. Si algo funciona, que todos lo sepan. Si no, bueno, que todos piensen también.

Algo asi.

Empecemos

4.1. ¬ŅEst√° completamente apretado el resorte?


En general, no. Todavía hay reservas. Grave en algunos lugares.

En primer lugar, en la resistencia de los materiales. Los cohetes modernos est√°n hechos de aleaciones met√°licas. El l√≠mite de su resistencia espec√≠fica est√° en la regi√≥n de 0.3 MJ / kg. Incluso el Kevlar y la fibra de carbono dan diez veces la resistencia con el mismo peso, y esto est√° lejos de ser un l√≠mite te√≥rico. Si esquivas y haces el mismo primer paso del Prot√≥n con materiales similares, entonces pesar√° significativamente menos, y la diferencia (al menos) se puede poner en la carga √ļtil. En teor√≠a Ejem ... En teor√≠a, teor√≠a y pr√°ctica son uno. En la pr√°ctica, por desgracia, estos maravillosos materiales para la construcci√≥n de cohetes a√ļn no est√°n listos. Aqu√≠ est√°n las dificultades de fabricar grandes estructuras de formas no triviales y temperaturas de trabajo desagradables, e incluso problemas en un libro de texto de ingenier√≠a. Pero hay espacio para cavar. Y las primeras golondrinas [ 670 ] de los compuestos ya han volado.

Adem√°s, los nanomateriales y, en particular, el grafeno [ 95 ] . La energ√≠a de enlace en s√≠ entre los √°tomos de carbono en ella es la misma modesta 2-3 eV por √°tomo. Pero: a) hay tres enlaces por √°tomo, y esto en total da [ 98 ] ya hasta 7.8 eV / √°tomo; b) el carbono es un elemento f√°cil, es ventajoso dividirlo por un kilogramo, y: c) la red de grafeno es absolutamente correcta, sin defectos y "enlaces d√©biles", lista para fallar prematuramente bajo carga. El resultado [ 355 ] : 62-65 MJ / kg, el doble que el l√≠mite de resorte "qu√≠mico". Creo que si aprendemos a dise√Īar celos√≠as regulares de boro, lo que es a√ļn m√°s f√°cil, saltaremos hasta 100 MJ / kg. Y qui√©n sabe, ¬Ņlos futuros cohetes no ser√°n impulsados ‚Äč‚Äčfren√©ticamente por volantes sin retorcer de grafeno o materiales similares?

[Y en los comentarios, me han dicho qué trabajo interesante sobre el tema [ 352 ]]

La energ√≠a qu√≠mica del lim√≥n tampoco se exprime en la piel. Y no estoy hablando de un motor que usa una mezcla de litio, fl√ļor e hidr√≥geno [ 405 ], [ 410 ] (tiene un impulso espec√≠fico decente, pero no querr√© trabajar con tales mezclas para los enemigos). No, se tratar√° de compuestos ex√≥ticos que existen solo en laboratorios y teor√≠as, pero prometen mucho.

Primer ejemplo [ 420 ] ("Lo siento, no puedo decir esto" si me piden que pronuncie su nombre en voz alta):


[Crédito: Por Albris - Trabajo propio, CC BY-SA 3.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=47523411 ]

Explota por s√≠ solo, "sin raz√≥n aparente", liberando energ√≠a en la cantidad de 6.8 MJ / kg. La cifra no es muy impresionante, y para introducirse en cohetes esta sustancia es dolorosamente inestable. Pero tenga en cuenta: se compone principalmente de nitr√≥geno. ¬ŅParece que las cadenas de nitr√≥geno-nitr√≥geno, si se "amontonan" adecuadamente, almacenan mucha energ√≠a?

Los químicos han entendido esto y han estado construyendo [ 265 ] estructuras cada vez más sofisticadas un poco menos de nitrógeno por más de una década. Aquí hay otro [ 430 ] :


[Cr√©dito: Por Meodipt - Trabajo propio, dominio p√ļblico, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=13243875 ]

El calor de combustión o formación, lamentablemente, no está indicado. Pero esto no importa, porque el poseedor absoluto del registro parece haber sido encontrado [ 440 ] .

Resulta que bajo una presi√≥n de m√°s de 1.1 millones de atm√≥sferas y una temperatura de 2000 K, el nitr√≥geno entra en una modificaci√≥n cristalina llamada cubic gauche (en ruso, como me dijeron, esto se llama una "modificaci√≥n cubic gauche"). Y esta modificaci√≥n, si solo no mienten de alegr√≠a [ 450 ] , es estable cuando vuelve a las condiciones normales. Y se puede sintetizar con ellos. Bueno, metaestable, m√°s precisamente. Por lo tanto, cuando se convierte en nitr√≥geno ordinario, libera mucha energ√≠a. Las cifras espec√≠ficas difieren: seg√ļn [ 450 ] se liberan 15.8 MJ / kg, seg√ļn Wikipedia [ 440 ] - 27 y 33 MJ / kg. Si el √ļltimo valor es verdadero, entonces, te√≥ricamente, la velocidad de salida de un motor de este tipo puede alcanzar ‚Čą6700 m / s. Si el primero es 4700 m / s, pero esto no est√° mal.

Por supuesto, 33 MJ / kg no son trescientos ni tres mil. De todos modos, es poco probable que obtenga mucho m√°s de la qu√≠mica. Pero incluso una vez y media en t√©rminos de velocidad de caducidad reducen la masa inicial del cohete a veces, reduciendo dr√°sticamente el costo de lanzamiento. Hay algo a tope. ¬ŅY qui√©n sabe qu√© otros estados de la materia podr√°n obtener a altas presiones y "salir" de manera segura de all√≠ a nuestras condiciones normales?

De la química más exótica, vale la pena mencionar:

4.1.1 Fijaci√≥n de √°tomos de hidr√≥geno (¬°no mol√©culas!) En una pel√≠cula de hidr√≥geno s√≥lido congelado [ 460 ]. Con las densidades logradas de 2 * 10 19 cm -3, esto se convierte en una reserva de energ√≠a de 2.6 MJ / kg. Aunque en comparaci√≥n con los combustibles tradicionales, la cifra parece aburrida, el enfoque en s√≠ mismo es inusual. ¬ŅY qui√©n sabe cu√°nto m√°s podr√° obtener de √©l? Wikipedia afirma [ 470 ] que una "disoluci√≥n" similar de √°tomos de otras sustancias en helio l√≠quido le permite almacenar hasta 5 MJ / kg (aunque no puedo seguir el enlace para trabajar).

Los intentos [ 480 ] para crear un condensado Bose de helio metaestable 4 He * en el estado triplete 1s2s 3 S 1 también se incluyeron en este grupo. Si su vida media es realmente más de dos horas (y no veo ninguna razón para no creer [ 490 ] ) con energía por átomo ya a 19.8 voltios de electrones, ¡tal asunto, en principio, puede almacenar 475 Megajulios por kilogramo! Con el "escape" en forma del helio inofensivo más puro. Por supuesto, siempre que estos estudios criogénicos puramente de laboratorio puedan ser adecuados para "moverse" al cohete.

4.1.2 Indicaciones vagas ([ 500 ], [ 510 ]) de tres o m√°s valencias de cesio y bario sugieren que, al menos algunas veces, bajo ciertas condiciones, no solo la valencia, sino tambi√©n los enlaces internos pueden usarse para formar enlaces qu√≠micos electrones de √°tomos. Desde esta comprensi√≥n en s√≠ misma hasta el "combustible absoluto", incluso en cuanto a la luna a pie (juego de palabras), pero hay algo con lo que so√Īar razonablemente.

4.1.3 La sal derretida es poco prometedora, pero ¬Ņqu√© pasa con la sal evaporada? Los calores de vaporizaci√≥n de algunas sustancias son muy altos [ 680 ] . Entonces, el berilio gaseoso, cuando se condensa, libera energ√≠a en la cantidad de 32 MJ / kg, boro - 45. Es cierto que una persona que ofrece lanzar un cilindro volador con berilio gaseoso de 2500 grados, en respuesta, corre el riesgo de encontrarse con una broma sobre el desecho de uranio en mercurio, no hay nada no se puede evitar ...

Con esto finalizaremos con la química y pasaremos a otras formas de almacenamiento.

El artículo fue escrito para el sitio https://habr.com . Al copiar, consulte la fuente. El autor del artículo es Evgeny Bobukh .

4.2. Otros campos


Hasta ahora, nos hemos centrado principalmente en la interacci√≥n electromagn√©tica. Pero en la naturaleza hay al menos tres campos m√°s: gravitacional, fuerte y d√©bil. ¬ŅEs posible crear una bater√≠a que almacene energ√≠a en ellos?

Con un campo gravitacional, la forma más fácil. Levantó la carga hacia la torre: se almacenó energía. Omitido - se destacó. Los sistemas de almacenamiento de energía hidráulica [ 520 ] se basan en este principio. Desafortunadamente, hay un problema insuperable. Como la energía potencial es mgh , la energía por kilogramo es gh . Y h , es decir, altura, en condiciones terrestres, un máximo de kilómetros. Estas son unidades kilojulios por kilogramo, ni siquiera mega . Ahora, si está en una estrella de neutrones, donde g puede ser fácilmente 10 12 m / s 2 ... Palabra correcta, a veces sospecho que las estrellas de neutrones y los agujeros negros no son más que plantas de energía gigantes de super-civilizaciones. Bueno, en cualquier caso, es poco probable que pueda volar al espacio con tal "batería", porque para ascender tendrá que cargarse , no descargarse.

Entonces, sobre el campo gravitacional es suficiente. ¬ŅQu√© "m√°s otros" campos tenemos?

Fuerte [ 690 ] : es responsable de la atracci√≥n mutua de protones y neutrones en el n√ļcleo at√≥mico. Y el d√©bil [ 700 ] , es responsable de la transformaci√≥n de los quarks entre s√≠, que se manifiesta en la desintegraci√≥n de neutrones y la desintegraci√≥n beta de los n√ļcleos. Desde nuestro punto de vista cotidiano, todo esto es energ√≠a at√≥mica, por lo que los consideraremos juntos aqu√≠, usando reacciones t√≠picas como ejemplo:

  • La desintegraci√≥n radiactiva . Hay varios tipos:
  • - La descomposici√≥n alfa. Hubo un n√ļcleo de uranio-238, se convirti√≥ en un n√ļcleo de torio-234 y una part√≠cula alfa, m√°s 4,27 mega- energ√≠a de electrones ([ 530 ]). Esto es seis √≥rdenes de magnitud mayor que en qu√≠mica. Aunque el uranio tiene n√ļcleos pesados, todav√≠a produce 1.7 Gigajulios por gramo .
  • - La desintegraci√≥n beta. Hubo cobalto-60, se convirti√≥ en n√≠quel-60, m√°s un electr√≥n, m√°s un antineutrino, m√°s rayos gamma, m√°s 1.35 MeV por √°tomo. Tenga en cuenta que detr√°s de (casi cualquier) desintegraci√≥n beta, de hecho, hay una "reacci√≥n de desintegraci√≥n de neutrones a trav√©s de una interacci√≥n d√©bil, descrita sin complicaciones por la ecuaci√≥n n 0 ‚Üí p + + e - + őĹ e (+ 0.782343 MeV).
  • - Y con una docena de otros tipos de descomposici√≥n, m√°s raros [ 705 ]
  • Fisi√≥n nuclear Hab√≠a un n√ļcleo de uranio-235, golpeado con un neutr√≥n, obtuvimos dos n√ļcleos de algunos cript√≥n y bario, m√°s neutrones, m√°s unos 180 MeV por n√ļcleo ([ 540 ]). El gramo 70 de dicho material fisionable es equivalente en energ√≠a al contenido de todos los tanques de combustible de protones.
  • Fusi√≥n termonuclear . Dos n√ļcleos de elementos ligeros colisionaron, fusion√°ndose en uno m√°s pesado. Se liber√≥ energ√≠a, m√°s part√≠culas secundarias. La opci√≥n m√°s animada para hoy es la reacci√≥n de deuterio y tritio: D + T -> 4 He + n + 17.6 MeV. Pero tambi√©n hay reacciones menos "sucias" y m√°s convenientes para recolectar energ√≠a.

En forma de armas, todo lo anterior se ha dominado durante mucho tiempo. En una forma pac√≠fica, tambi√©n, excepto por la fusi√≥n. Desde la d√©cada de 1950, "15-20 a√Īos" siempre ha permanecido antes que √©l. Es cierto que todav√≠a creo en esta s√≠ntesis, como en la direcci√≥n principal de resolver los problemas energ√©ticos de la humanidad.

La desintegraci√≥n radiactiva (tanto del plutonio como de is√≥topos m√°s ligeros como el cobalto-60 , el cesio-137 ) ha estado trabajando durante mucho tiempo activamente en generadores de radiois√≥topos [ 710 ] y bater√≠as nucleares en la desintegraci√≥n beta [ 720 ] . Los peque√Īos reactores nucleares para uso (semi) civil comenzaron a fabricarse con √©xito en la d√©cada de 1950 [ 555 ].

También se conocen motores de cohetes para reacciones de fisión.

Estas son las pruebas del nervio estadounidense [ 570 ], 1966-1972:


[Crédito de la imagen: William R. Corliss, Francis C. Schwenk - Propulsión nuclear para el espacio (folleto de la Comisión de Energía Atómica de los Estados Unidos, División de Información Técnica) Prueba del motor de cohete nuclear NERVA.]

Aquí [ 5 80 ] [ 5 83 ] [ 5 86 ] Soviet RD-0410, 1965-1980:


[Crédito de la imagen [ 730 ]]

Las ansias de peso no son muy buenas, por lo que para los primeros pasos no son muy adecuadas. Puede trabajar en esto, hay ideas de diversos grados de inteligibilidad, solo ... solo que este no es el problema.

Despu√©s de todo, no tanto la ingenier√≠a como las razones m√©dicas y pol√≠ticas impiden el uso de energ√≠a nuclear para la exploraci√≥n espacial. Todos tienen miedo (y con raz√≥n) de la contaminaci√≥n radiactiva durante accidentes, errores, terrorismo. Realmente no sabemos c√≥mo tratar un da√Īo radiactivo, ni podemos desinfectar la biosfera. Un microgramo de algunos is√≥topos de larga vida es suficiente para enviar a una persona al pr√≥ximo mundo. Esta vez Dos: desde una bomba nuclear hasta un motor nuclear, la distancia no es tan grande. ¬ŅQu√© es lo que realmente est√° lanzando a la estratosfera a un posible compa√Īero enemigo en la exploraci√≥n espacial, ve y t√≥malo desde lejos?

Hasta que se resuelvan estos problemas, no creo que veamos un uso serio de la energía atómica en la astronáutica. Entonces, las baterías para un rover, tal vez un generador de propulsión eléctrica en un generador de isótopos, es el máximo. Por desgracia, todavía queda un largo camino para la asignación de la Antártida a una pista conjunta de misiles nucleares. A una distancia de ficción.

4.2.1 Sin embargo, como parte de esta secci√≥n, vale la pena mencionar un efecto tan divertido como la influencia de las fuerzas no nucleares en las vidas medias. Estamos acostumbrados a pensar que la tasa de descomposici√≥n natural de los √°tomos es una constante, independiente de nada, y confiamos en este hecho para la dataci√≥n por radiois√≥topos [ 740 ] . Pero esto no es del todo cierto. A juzgar por [ 750 ], la vida media de una sustancia puede verse afectada por el estado qu√≠mico de una sustancia (incluida la ionizaci√≥n), la presi√≥n, la transici√≥n a la superconductividad, los campos el√©ctricos y magn√©ticos, y la temperatura. Desafortunadamente, la mayor parte del trabajo sobre este tema est√° bloqueado por los requisitos de pago, por lo que sin tirar un par de cientos de d√≥lares al viento, no puedo citar las fuentes primarias y tener que limitarme a citas secundarias o res√ļmenes. Entre los que me parec√≠an curiosos, deber√≠a llamarse:

  • El cambio en la tasa de descomposici√≥n de 111 In radiactivo y 32 P debido a la rotaci√≥n en la centr√≠fuga es significativo, con una disminuci√≥n / aumento en el per√≠odo en unidades de porcentaje dependiendo de la direcci√≥n y la velocidad de rotaci√≥n [ 760 ]. Incluso parece demasiado bueno para ser verdad, ser√≠a bueno verificar dos veces este resultado.
  • Una disminuci√≥n en la vida media de 210 Po en un 6,3% se debe simplemente a su encapsulaci√≥n en una carcasa de cobre y enfriamiento a 12K [ 770 ]. Tambi√©n en duda.
  • El renio-187, un is√≥topo casi estable con una vida media de 42 mil millones de a√Īos, que est√° completamente ionizado (es decir, al estado de 187 Re 75+ ), reduce el tiempo de vida a 33 a√Īos, es decir se vuelve muy inestable [ 780 ]. Y este trabajo es bastante confiable.
  • El disprosio neutro 163 Dy es estable. Pero, al estar completamente ionizado a 163 Dy 66+ , se convierte en radiactivo con una vida media de ... ¬°50 d√≠as! [ 790 ]


Lo que esto es potencialmente prometedor es comprensible. Producci√≥n de energ√≠a a partir de is√≥topos en descomposici√≥n demasiado lenta. Gesti√≥n de energ√≠a de bater√≠as isot√≥picas y reactores. Estabilizaci√≥n de elementos transur√°nicos distantes para almacenamiento y estudio. ¬ŅY qui√©n sabe, tal vez incluso [ alejado del pecado ]? Es cierto que cualquier impacto de ingenier√≠a razonable en la actualidad cambia los par√°metros de descomposici√≥n en un m√°ximo de porcentaje, y la f√≠sica parece nunca predecir un tipo de "pico m√°gico" en ninguna parte, pero qui√©n sabe, qui√©n sabe ...

4.2.2 N√ļcleos excitados y giratorios

Si el suministro de energ√≠a de un volante desde la materia ordinaria est√° limitado por su resistencia a la tracci√≥n, ¬Ņlos resultados no mejorar√°n si la materia nuclear est√° "retorcida"? ¬ŅSer√° ella m√°s fuerte?

En general, la respuesta es sí, aunque hay tantas sutilezas detrás que tengo que apresurarme hasta la cima. Pido disculpas de antemano por las inmensas omisiones y simplificaciones con las que tuve que incluir este tema de disertación en un par de párrafos.

En primer lugar, el n√ļcleo at√≥mico puede girar m√°s o menos como un todo. Como una gotita de l√≠quido nuclear ([ 800 ], [ 810 ], [ 820 ]). Los giros t√≠picos, a los que es posible "desenredar" tales granos, son 30-100 ńß , luego se "rompen". Pero antes de eso almacenan 10-200 MeV de energ√≠a por √°tomo. Un "giro" similar tambi√©n puede iniciar o acelerar la descomposici√≥n de n√ļcleos (incluso estables). Es cierto que los m√©todos de promoci√≥n que tenemos hoy son b√°rbaros, inadecuados para la industria energ√©tica: "bombardear" el n√ļcleo a ciegas con part√≠culas pesadas en el acelerador, sabiendo que algunos de los ataques suceder√°n. Bueno, el tiempo de vida de tales n√ļcleos suele ser peque√Īo, por lo que yo s√© (sin embargo, aqu√≠ no soy un experto, me alegrar√° si la gente se suma al experto).

En segundo lugar, el n√ļcleo puede girar "en partes". Cuando solo unos pocos nucleones en √©l se transfieren a un nivel de energ√≠a m√°s alto ([ 830 ], [ 840 ]), aproximadamente como los electrones en un √°tomo excitado. Los giros caracter√≠sticos de tales estados son de hasta varias decenas de ńß , las reservas de energ√≠a por n√ļcleo son de decenas de eV a decenas de MeV, pero las vidas ... las vidas a veces son tentadoramente grandes. As√≠, el is√≥mero de hafnio 178m2 Hf "vive" durante 31 a√Īos [ 832 ] , holmio 166m1 Ho - 1200 a√Īos [ 832 ] , renio 186m Re - 200 mil a√Īos [ 835 ] . Al pasar del estado excitado al estado base, tales n√ļcleos emiten solo rayos gamma. No hay radiaci√≥n inductora de neutrones, ni fragmentos extremadamente sucios, ni part√≠culas alfa o beta. Todo est√° muy limpio y al menos por eso seductor.

Sin embargo, todav√≠a no est√° claro c√≥mo bombear energ√≠a a dichos is√≥meros y luego recuperarla. El trabajo cient√≠fico sobre este tema del a√Īo desde 2000 se ha vuelto muy controvertido [ 850 ] . Alguien afirma tener √©xito, otros publican refutaciones. Todo esto parece extremadamente sospechoso.

Vale la pena mencionar que el prot√≥n tambi√©n puede ser "torcido" transfiri√©ndolo al estado excitado con giro 3/2 y superior ([ 860 ], [ 865 ]). Ya el primer estado tiene una energ√≠a de 479 MeV por encima de la base. Desafortunadamente, la vida √ļtil de estas formaciones no excede 1.5 * 10-16 segundos.

El artículo fue escrito para el sitio https://habr.com . Al copiar, consulte la fuente. El autor del artículo es Evgeny Bobukh .

4.2.3 Atomos exóticos [ 870 ]

Bueno, para una merienda, en principio, la materia puede construirse no solo a partir de protones, neutrones y electrones, sino tambi√©n a partir de otras part√≠culas. Muchos n√ļcleos "ex√≥ticos" se sintetizan experimentalmente y algunas veces poseen enormes reservas de energ√≠a. Desafortunadamente, todos viven no m√°s de 10 microsegundos, y generalmente mucho menos.

4.3. Pero no nos despidas un corredor?


Para almacenar energ√≠a en el campo electromagn√©tico sin pasar por el "agente codicioso" de la materia ordinaria, es necesario eliminar el campo electromagn√©tico de los espacios interat√≥micos. El camino en s√≠ no es nuevo. Durante los √ļltimos 200 a√Īos, nos hemos movido a lo largo de √©l, recolectando muchos logros √ļtiles a lo largo del camino.

Uno de los primeros comienzos de Volta (en cuyo honor el Volt ingresó al idioma) con su pilar en 1800:


Una simple pila de metales alternos desarrollaron voltajes de decenas, cientos y miles de voltios, es decir, mucho m√°s altos que la valencia y con corrientes decentes. , , , .

. . . , . . , . , , . , : . : . ? .

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. Disclaimer. , . , , . , . , , - . . , .

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Por lo tanto, queremos dise√Īar un dispositivo para almacenar energ√≠a en un campo electromagn√©tico, con una densidad de energ√≠a que exceda el l√≠mite de resorte. Esto significa que en una parte significativa del dispositivo, deben producirse presiones de campo muy altas p = ( E 2 + B 2 ) / 8ŌÄ. Es imposible resistirlos con materia ordinaria: nos encontramos con el L√≠mite de Primavera ( ŌÉ / ŌĀ ). ¬ŅQu√© otras fuerzas se le pueden oponer? El electromagnetismo puro no se puede hacer de acuerdo con el Teorema de Earnshaw [ 880 ] (aunque hay conjeturas vagas: ¬Ņqu√© pasa si ensamblamos un sistema inestable que no est√° en equilibrio?) El gravitacional es demasiado d√©bil en nuestras escalas. Sigue siendo nuclear. Entonces, apostamos por una fuerte interacci√≥n.

Tome el n√ļcleo de cript√≥n Kr . Cortamos todos los electrones para obtener el ion Kr 36+ . La energ√≠a total requerida para esto se encuentra sumando los n√ļmeros en la tabla 19.2 en la p√°gina 411 de [290] y es aproximadamente 76,340 eV. Eso es lo que se destacar√° (principalmente en forma de fotones) si se permite que este √°tomo recupere electrones. Por kilogramo son 87 megajulios, no es un mal comienzo.

Entonces, aqu√≠ est√°, un condensador de energ√≠a s√ļper intensiva: un √°tomo esf√©rico de cript√≥n totalmente ionizado, que flota solo en un vac√≠o infinito:


Es cierto ... "algo est√° mal aqu√≠". ¬ŅCu√°nto almacena en un √°tomo? Es mucho ¬°Pero tan pronto como produzcamos al menos dos de estos √°tomos, la repulsi√≥n mutua los separar√° de inmediato en diferentes √°ngulos del infinito! Resulta que estos iones cargados a√ļn deben almacenarse de alguna manera como colectivos. Se necesita un agujero potencial, en el que puedan estar abarrotados. ¬ŅQu√© hacer con eso?

Entramos en la segunda ronda: es imposible por la materia ordinaria: los iones se sentirán inmediatamente atraídos por ella y extraerán electrones de ella. Es imposible desde un campo eléctrico: el teorema de Gauss [ 890 ] prohíbe los pozos electrostáticos sin cargas dentro de ellos, y donde hay cargas, el dispositivo tiene un fin. Pero desde lo magnético ... ¡desde lo magnético puedes probar!

Recordamos la celda espejo. √Čl es una botella magn√©tica:

[Crédito de la imagen: Autor: Usuario: WikiHelper2134, CC BY-SA 3.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=29562309 ]

Hasta colisiones, finitud de campo y gradientes de radiaci√≥n, cualquier part√≠cula cargada, que se encuentre en el medio del dispositivo, donde el campo es d√©bil, permanecer√° all√≠, enrollando anillos alrededor de las l√≠neas de fuerza. Suponemos que todo se almacena en (casi) cero absoluto y las colisiones pueden descuidarse. ¬ŅCu√°ntos iones positivos se pueden acumular en dicho sistema? Damos una estimaci√≥n aproximada, descuidando factores num√©ricos adimensionales como 3 o ŌÄ . Esto, por supuesto, conducir√° a un error hasta un par de docenas de veces, pero simplificar√° enormemente los c√°lculos; y si el resultado es interesante, las personas inteligentes despu√©s de m√≠ lo contar√°n con mayor precisi√≥n.



Deje que el tama√Īo caracter√≠stico de la nube de iones (y todo el sistema) r . La densidad de volumen de la nube es n . La carga de iones es eZ . Por lo tanto, la carga q = r 3 neZ est√° contenida en la nube , y el campo el√©ctrico repulsivo en su superficie es E = q / r 2 = reZn . La presi√≥n de empuje de este campo en la nube es p = E 2 = ( reZn ) 2 . Se le opone una peque√Īa fracci√≥n ő≤ de la presi√≥n magn√©tica total del sistema B 2 :

( reZn ) 2 ‚Čą ő≤ B 2

La energ√≠a magn√©tica del sistema es B 2 r 3 . Para garantizarlo, se requiere un sistema mec√°nico fuerte (bobinas, paradas) de masa m = X * B 2 r 3 / ( ŌÉ / ŌĀ ), donde X es el coeficiente de "basura" de la estructura, que muestra cu√°ntas veces es m√°s pesado que el m√≠nimo posible (de acuerdo con [ 370 ], en las mejores bobinas modernas, X es 10-30), y ( ŌÉ / ŌĀ ) es el l√≠mite de resorte del material de la bobina. Expresando B 2 de la expresi√≥n anterior, obtenemos una estimaci√≥n de la masa del "acumulador": m = Xr 3 ( reZn ) 2 / ( ő≤ ( ŌÉ / ŌĀ ))

Finalmente, ¬Ņcu√°nta energ√≠a se almacena en estos iones? La energ√≠a de ionizaci√≥n total del ion, si se suma aproximadamente [ 900 ] , es W ‚Čą Z 2 * Ry , donde Ry = 13.6 eV es la energ√≠a de Rydberg. Tenemos nr 3 de estos iones. En total, el sistema contiene energ√≠a de ionizaci√≥n potencial W = Z 2 * Ry * nr 3 .

Ahora dividimos el primero en el segundo, obtenemos la reserva de energía en julios por kilogramo:

w = W / m = ( ő≤ / X ) * ( Ry / ne 2 r 2 ) * ( ŌÉ / ŌĀ )

El √ļltimo soporte es el l√≠mite de resorte. Y todo frente a ella es cu√°ntas veces se lo supera. ¬ŅEn qu√© condiciones este exceso ser√° al menos √ļnico (es decir, tiene sentido luchar por el dise√Īo)? Nosotros escribimos:

K = ( ő≤ / X ) * ( Ry / ne 2 r 2 )> 1

Recuerde la expresi√≥n para la energ√≠a de Rydberg Ry = e 2/2 r b , donde r b es el radio de Bohr r b = ńß 2 / me 2 . Obtenemos la condici√≥n bajo la cual se supera el l√≠mite de primavera:

nr 2 r b <( ő≤ / KX )

Es decir el sistema es lo suficientemente peque√Īo o con una nube de iones suficientemente enrarecida, se garantiza que saltar√° el l√≠mite de primavera. Esto se logra gracias a una especie de "palanca" del campo magn√©tico. Donde la materia ordinaria "retiene" un campo magn√©tico, y el campo "retiene" iones altamente cargados.

Es cierto que si r = 100 cm, X = 30, ő≤ = 0.1, K = 1, entonces n no debe exceder 6 * 10 3 cm-3. Este es un plasma muy "delgado". El contenido de energ√≠a total en dicha trampa ser√° W ‚Čą Z 2 * Ry * nr 3 = 10 -4 julios. En t√©rminos de masa, puede ser bueno, pero en t√©rminos de contenido de energ√≠a total es deplorable. Debes aumentar la trampa a dimensiones planetarias o ... "cambiar todo el sistema". Que sea cuasineutral, por ejemplo. O trate de retener iones pesados ‚Äč‚Äčno con una trampa magn√©tica, sino con, por ejemplo, un klystron . En general, hay algo en lo que pensar.

En general, result√≥ ... un "maniqu√≠", tambi√©n es una "trampa hidromagn√©tica, como ella ... un objeto de setenta y siete a√Īos". Pero al menos era posible divertirse sin violar las leyes de la f√≠sica.

4.4. ¬ŅY por qu√© molestarse en arrastrar la energ√≠a del cohete consigo ?


En principio, bajo. Si convierte un cohete en un sistema abierto, puede lograr mucho. Algunas de estas ideas ya están funcionando, otras están infinitamente (y, posiblemente, permanentemente) lejos de la implementación práctica. Los reuní aquí para mostrar: hay alternativas. Deje un grado diferente de fiabilidad.

4.4.1. Motores de "respiración" que no llevan oxígeno con ellos.

Han estado trabajando en la aviaci√≥n durante mucho tiempo, pero a velocidades de hasta Mach 3-4. Un avance seguro para este techo ocurri√≥ solo en este siglo. Estados Unidos, China e India probaron con √©xito [ 910 ] scramjets [ 905 ] a velocidades de Mach 5-6 (Rusia, al parecer, incluso en el a√Īo 95, pero todo es de alguna manera incomprensible all√≠). El WU-14 chino [ 915 ] es capaz de acelerar, presumiblemente, a 10 M. Cierto, todas estas cosas no est√°n hechas para la exploraci√≥n espacial, sino con el objetivo de crear un misil bal√≠stico maniobrable y dif√≠cil de interceptar.

4.4.2. Potencia del cohete l√°ser [ 920 ] .

Un cohete lleva consigo solo un fluido de trabajo. En la Tierra hay una planta de energía adecuada para la energía, que transfiere energía a un cohete con un láser o un maser. Tal vez para evaporar directamente el fluido de trabajo. Quizás indirectamente, a través del ERD. Se ve muy prometedor. En la práctica, es difícil: y el flujo de energía de tal fuerza a través del aire se enfoca pobremente, y no es fácil fabricar dicho láser por sí solo.

4.4.3. Alimentando un cohete ... ¬°por cable!

Loco? Por supuesto Pero los ATGM vuelan durante 4 kil√≥metros [ 930 ] . ¬ŅEs posible hacer al menos 10 y transferir al menos gigavatios de potencia a trav√©s de ellos? Lo descubr√≠ y obtuve que 1 gigavatio puede transmitirse a trav√©s de un "cable" de acero y aluminio con un radio de 5 cent√≠metros durante 100 segundos durante 10 kil√≥metros antes de que este cable pierda su resistencia debido al sobrecalentamiento. Es cierto que 400 toneladas pesar√°n tal "cable". Y sin flexibilidad. Y eso es insultante, los par√°metros del material del alambre (densidad, resistividad, capacidad de calor, calentamiento permisible) ingresan la expresi√≥n para el radio solo en el grado de 1/6. Es decir, sin sustituciones razonables de material, estos 5 cent√≠metros en 2 mil√≠metros no giran. Pero! 5 cent√≠metros son casi ... rieles. Resulta que Railgun [ 940 ]. Adem√°s, si selecciona un material con mayor precisi√≥n, entonces se pueden hacer sus 10 kil√≥metros de largo. Y esto, consid√©relo, es casi un reemplazo para la primera etapa.

4.4.4. Ya puedo escuchar el " elevador espacial " cantando.

Desafortunadamente, esta idea, adem√°s de las dificultades obvias (por ejemplo, ¬Ņqu√© hacer con los sat√©lites que ya deambulan por sus √≥rbitas?), Tiene una debilidad fundamental. Si calculamos la presi√≥n de tracci√≥n que surge en la base de dicho cable, entonces en orden de magnitud obtenemos p = ŌĀgR , donde R es el radio del planeta. Al equipararlo con la resistencia a la tracci√≥n del material ŌÉ , y al encontrar la relaci√≥n ŌÉ / ŌĀ requerida para evitar que este cable se rompa, obtenemos ŌÉ / ŌĀ ‚Čą gR = 60 MJ / kg. Es decir, si es posible un elevador espacial, entonces en el l√≠mite del l√≠mite de primavera de nuestro asunto. Entonces es dudoso, muy dudoso.

4.4.5. "Volar con los cuerpos de hoy más allá de la luna es una expedición a pie de medusas en el Sahara"

Porque hay demasiados sistemas de protecci√≥n y soporte vital para llevar con ellos para transportar estos cuerpos a trav√©s del espacio. Si pes√°ramos 1 gramo, ¬Ņno estar√≠amos poblando el Sistema Solar? Si vivi√©ramos mil millones de a√Īos, podr√≠amos volar a las estrellas vecinas en una vela solar. Si fu√©ramos robots, no necesitar√≠amos terraformar Marte para su asentamiento y podr√≠amos caminar alrededor de Plut√≥n. Aquellos que lo deseen pueden continuar, un tema agradecido para la fantas√≠a.

Terminación

Referencias y literatura
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[410] El trabajo original para [ 405 ] (no se molestaron en mencionar, y está claro por qué, el formato es terrible, todo está superado): https://archive.org/stream/nasa_techdoc_19700018655/19700018655_djvu.txt
[420] Anillos de nitrógeno: https://en.wikipedia.org/wiki/1-Diazidocarbamoyl-5-azidotetrazole
[430] Anillos de nitrógeno: https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/ja103525v
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[905] Bueno, sí, en realidad sobre el scramjet: https://en.wikipedia.org/wiki/Scramjet
[910] Pruebas de scramjet conocidas: https://en.wikipedia.org/wiki/Scramjet_programs
[915] Scramjet chino WU-14: https://en.wikipedia.org/wiki/DF-ZF
[920] Un artículo sobre diferentes formas de alimentar cohetes en racimos: https://en.wikipedia.org/wiki/Beam-powered_propulsion
[930] Fagot ATGM: https://ru.wikipedia.org/wiki/Fagot_(TRAC)
[940] Lanzamiento de riel: https://en.wikipedia.org/wiki/Non-rocket_spacelaunch#Electromagnetic_acceleration

Source: https://habr.com/ru/post/438750/


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