Civilización de primavera, 5/5

Parte 5. La escala del universo.


La parte anterior . Resumen de la parte anterior.

La √≥rbita cercana a la Tierra es muy costosa para nosotros. ¬ŅY qu√© hay de otras civilizaciones con esta pregunta, si es que existen, por supuesto?



Por supuesto, sobre todas las formas imaginables de vida y mente, uno puede decir ... nada. Hay tantas ideas no fantásticas por ahí [ 945 ] . Pero puede intentar considerar las civilizaciones más probables , en base a lo que hoy sabemos y creemos que es probable. Incluso en esta forma, la pregunta no está exenta de interés.

1. Comencemos con "su" planeta. ¬ŅC√≥mo se ve ella?

Es muy probable que sea un cuerpo celeste con un di√°metro de 8-13 mil kil√≥metros, que consiste principalmente de sustancias rocosas y metales, con una peque√Īa mezcla de agua y otros hielos. Gira alrededor de una estrella a una distancia donde la temperatura del girasol es de 250-400 Kelvin. El planeta tiene una atm√≥sfera con una presi√≥n de al menos ‚Čą0.1, pero apenas m√°s de unos cientos de atm√≥sferas. Al menos una cent√©sima parte del porcentaje de di√≥xido de carbono CO 2 est√° presente en la atm√≥sfera. El planeta es tect√≥nicamente activo, su densidad es de 4-9 g / cm 3 . La base de la bioqu√≠mica es el agua y el carbono.

Suena horrible como la Tierra, ¬Ņverdad? A ver por qu√©.
Repito una vez m√°s: estamos buscando la alineaci√≥n m√°s probable. S√≠, la pregunta es relevante en casi todos los aspectos del argumento: "¬ŅEs posible hacer lo contrario?" Y la respuesta generalmente ser√°: ‚ÄúS√≠, puedes. Pero la primera opci√≥n todav√≠a se considera la m√°s com√ļn hoy en d√≠a ".

Comencemos con la bioqu√≠mica. Si generalmente se acepta que la base de la mente es la vida, y la base de la vida es la qu√≠mica, entonces esta qu√≠mica funciona mucho mejor en un solvente l√≠quido. Las mol√©culas est√°n cerca una de la otra. Mezcla libre Y si el solvente es "bueno", tambi√©n estabiliza las mol√©culas "correctas". Por lo tanto, se necesita l√≠quido. ¬ŅQu√© son los candidatos?

Echa un vistazo a la composición química del universo:


(Seg√ļn [ 990 ])

En orden de prevalencia, ¬Ņqu√© compuesto qu√≠mico se compone primero de estos elementos? Derecho Agua H2O . Est√° hecho del primer y tercer elemento m√°s com√ļn. El siguiente es metano CH 4 , la mitad de la frecuencia. Entonces amoniaco NH 3 , pero en la naturaleza ya es 6 veces menos que el agua. S√≠, por supuesto, este es un "hospital promedio", los planetas individuales pueden diferir en la composici√≥n qu√≠mica. Pero, aparte de la p√©rdida de hidr√≥geno, se requieren suposiciones no triviales para justificar un planeta donde, por ejemplo, habr√° m√°s nitr√≥geno que ox√≠geno. El universo en su conjunto es bastante uniforme en su composici√≥n. Y el agua que contiene es el compuesto qu√≠mico m√°s com√ļn. Es bastante sorprendente que a veces todav√≠a hay lugares donde casi no hay agua ...

Además de la prevalencia, el agua tiene una serie de ventajas en comparación con los diez principales candidatos alternativos. Estos son: alta estabilidad química; fuertes enlaces de hidrógeno; la presencia, pero la polaridad moderada, lo que lleva a la capacidad de disolver sin destrucción una gran cantidad de sustancias y apoyar reacciones ácido-base; alta capacidad calorífica y calor de evaporación, aumentando la estabilidad de la temperatura de los cuerpos de agua; transparencia y, finalmente, el hecho de que el hielo de agua es más ligero que el líquido, por lo que es menos probable que el agua en invierno se congele hasta el fondo.

Por lo tanto, el solvente m√°s probable "con ellos" es el agua.

La palabra "solvente" significa un estado l√≠quido. Esto significa que la temperatura promedio en la superficie del planeta no debe ser inferior a al menos 250 Kelvin. ¬ŅY de d√≥nde viene el l√≠mite superior de 400 K? Est√° determinado por la estabilidad de los compuestos de carbono. ¬ŅPor qu√© carbono? Por los mismos motivos que con el agua. S√≠, no solo el carbono puede formar pol√≠meros complejos "intercalados" con otros elementos. El boro, el f√≥sforo, un enlace silicio-ox√≠geno e incluso varios metales pueden hacer esto:



Sin embargo, el carbono los golpea en la frecuencia de ocurrencia cientos y miles de veces, dejando "vida b√≥rica" ‚Äč‚Äča menos que nichos absolutamente ex√≥ticos.

Como estamos aqu√≠, entenderemos una cosa m√°s. ¬ŅCu√°l es el compuesto vol√°til no hidr√≥geno m√°s com√ļn? La placa te dice: es di√≥xido de carbono CO 2 . Por supuesto, su contenido concreto en una u otra atm√≥sfera (como gas) o corteza (en forma de carbonatos) no puede llamarse as√≠ de simple. Pero es extremadamente dif√≠cil imaginar un planeta con una atm√≥sfera que no sea de hidr√≥geno y una temperatura normal, donde el di√≥xido de carbono (unido o libre) no hubiera estado en absoluto. Se debe encontrar al menos 0.01%.

Y eso es importante. La prevalencia del dióxido de carbono en la naturaleza impone un límite superior a la densidad de la atmósfera. A partir de un cierto espesor, la atmósfera, donde hay incluso un poco de CO 2 , no comenzará a recalentarse debido al efecto invernadero. Comenzará a expulsar el CO 2 unido de la corteza y, por lo tanto, se calentará con la aceleración. Es como en Venus. Es difícil decir a qué presión exacta ocurre esto, y todo depende de muchos parámetros. Pero lo más probable es que estemos hablando de cientos de atmósferas.

Entonces, la atmósfera del planeta no es tan gruesa como la de un gigante. Pero no muy delgado. Porque, si la presión es significativamente menor que 0.1 atmósfera, el rango de temperatura de la existencia de agua en forma líquida se reduce considerablemente.

En una atmósfera de espesor moderado, el régimen de temperatura está determinado en gran medida por la luz solar. Esto significa que el planeta gira alrededor de la estrella a una distancia donde la luz solar natural mantiene la temperatura aproximadamente a los 250-400 Kelvin. En la llamada "zona habitable" [ 948 ] .

Pero el agua, el metano, el amoníaco y otros "hielos" no se condensan bien al vacío a temperaturas de 250 K y superiores. En consecuencia, en el campo de la formación de planetas habrá pocos de ellos, y no se convertirán en los componentes predominantes de su composición. Esto significa que "su" planeta se formará a partir de sustancias de mayor ebullición: metales y "piedras", es decir óxidos (y posiblemente carburos) de los diez elementos más comunes enumerados anteriormente. A partir de aquí, aproximadamente conocemos la densidad de su sustancia.

Adem√°s, un planeta habitado con evoluci√≥n qu√≠mica debe mantener la tect√≥nica activa durante miles de millones de a√Īos. Porque de lo contrario, el clima del planeta con agua y CO 2 en la atm√≥sfera cae en una "bola de hielo" y / o un estado similar a Marte. La Luna y Marte en el Sistema Solar han estado tect√≥nicamente durante mucho tiempo (casi) muertos. Pero la Tierra y Venus, no. Esto significa que el l√≠mite inferior del di√°metro del planeta pasa en alg√ļn lugar entre Marte y Venus. A la vista de miles, son 8 kil√≥metros. S√≠, un exceso de radion√ļclidos puede proporcionar calentamiento y actividad y un cuerpo mucho m√°s peque√Īo. Pero esta es una soluci√≥n un poco menos probable. Porque la cantidad de calor radiog√©nico es proporcional al primer grado de la masa del planeta, y la acumulaci√≥n y el calor de diferenciaci√≥n al cuadrado. Es decir, "en promedio por naturaleza" es m√°s f√°cil asegurar la actividad del subsuelo con una masa mayor que una mayor concentraci√≥n de radionucleidos. Y s√≠, por supuesto, un planeta que es un sat√©lite de un gigante puede ser calentado por los efectos de las mareas (como Io), pero todav√≠a no hemos encontrado un exoloon, por lo que esta variante no es t√≠pica.

El l√≠mite superior de tama√Īo est√° determinado por la transici√≥n al gigantismo. Por encima de cierta masa, comienza la retenci√≥n (o incluso la captura) de hidr√≥geno y helio, y en la salida obtenemos Neptuno o incluso J√ļpiter. Las estimaciones de la masa a la que sucede esto var√≠an, vi cifras de 2 a ~ 10 masas terrestres, pero el l√≠mite superior exacto, como veremos, no es tan importante. As√≠ que solo tome el radio superior para nuestro 2, es decir 13 mil kil√≥metros.

Bueno, el ultimo. Conociendo la composici√≥n qu√≠mica aproximada ("piedras" con metales) y el tama√Īo, puede estimar la densidad del planeta, teniendo en cuenta la compresi√≥n. Ser√° en alg√ļn lugar alrededor de 4000-9000 kg / m 3 .

El artículo fue escrito para el sitio https://habr.com . Al copiar, consulte la fuente. El autor del artículo es Evgeny Bobukh . B: 1KhPVPHw4XrxtuocDiBbh7KVSJ6nDTHtMq; E: 0x3d174b521004B08023E49C216e4fa2f67868210F; L: LZ3bFQHUxBAtpgxcNSfwv61LiwZVx3EGoo

M√°s simple.

2. La primera velocidad c√≥smica en un cuerpo celeste de este tama√Īo y densidad es de 4,000 - 20,000 m / s.

3. El combustible utilizado por ellos, al menos en las etapas iniciales del programa espacial, no es muy diferente del nuestro. La química es la misma en todas partes, y solo hay una docena de reactivos de luz y alta energía "buenos". Y luego, la velocidad de expiración de los motores de "sus" misiles debería limitarse en la práctica a los mismos ~ 4500 m / s que la nuestra.

4. Usando la f√≥rmula de Tsiolkovsky, encontramos que la relaci√≥n M / m para "sus" cohetes estar√° en el rango 2.5 - 85. Tomamos en cuenta la imperfecci√≥n de ingenier√≠a, las p√©rdidas gravitacionales y de otro tipo, que (para nosotros) convierten la relaci√≥n te√≥ricamente esperada M / m ‚Čą 13 para Prot√≥n a los treinta. Que para "ellos" convierte M / m en 5-200.

5. Como resulta que el cohete consiste principalmente en combustible, el valor de Q 2 (definido como la masa de la carga más combustible para la masa seca de la estructura) para "ellos" también resulta ser no inferior a 5-200.

6. Pero el dise√Īo Q 2 alto es costoso. Si aceptamos la f√≥rmula C ( Q 2 ) ‚Čą ( Q 2 +1) 2/4 obtenida en la primera parte , resulta que "sus" misiles son de 9 a 10,000 veces m√°s caros que "ellos", por ejemplo, camiones (con la misma masa). Todo en orden de magnitud, por supuesto.

El borde izquierdo se ve intr√©pido. Sin embargo, la mayor√≠a de los casos "t√≠picos" se pueden esperar m√°s cerca de la mitad de este rango. Entonces, para la Tierra en realidad, esta relaci√≥n es ‚Čą300.

Esta conclusión también se puede describir mediante fórmulas en las que, curiosamente, reaparece el límite de primavera
Recordemos la expresi√≥n para la primera velocidad c√≥smica: V 1 2 = GM p / R. Habiendo revelado la masa del planeta M p , obtenemos V 1 2 = (4 ŌÄ / 3) GŌĀR 2 .

A continuaci√≥n, ¬Ņqu√© eres ? En un cohete qu√≠mico, no es m√°s que ‚ąö2 q , donde q es el valor calor√≠fico del combustible qu√≠mico de mayor energ√≠a. Sigue:

V 1 2 / u 2 > (4 ŌÄ / 3) GŌĀR 2 / q [10]

Ahora recuerda que est√°n sucediendo cosas en el planeta. Un planeta es tal cosa, que de ninguna manera puede tomar la forma de una maleta o un mu√Īeco de nieve, a diferencia del asteroide Ultima Thule [ 950 ] . Porque incluso si toma esta forma de una manera catastr√≥fica, el material del planeta inmediatamente "flotar√°" bajo la presi√≥n de su propio peso y volver√° al estado esf√©rico. Esta propiedad, de hecho, es una parte clave de la definici√≥n del planeta [ 960 ] : "<...> el cuerpo <...> es lo suficientemente masivo como para tener una forma esf√©rica bajo la influencia de su propia gravedad <...>".

Por ejemplo, la presión en el centro de la tierra es [ 970 ] 3.5 * 10 11 pascales. Esto es mucho más alto que la resistencia a la tracción [ 355 ] de los minerales más persistentes, por lo que todos ellos en las profundidades del planeta se comportan más como un líquido viscoso que como sustancias sólidas.

Introducimos el "coeficiente planetario" adimensional P igual a la relación entre la presión en el centro del planeta y la resistencia a la tracción de los materiales que conforman el planeta:

P = p / ŌÉ [15]

Para la Tierra, P es algo alrededor de 1700, para Marte, alrededor de 250 e incluso para la Luna, alrededor de 45. En general, para planetas grandes tect√≥nicamente activos (independientemente de su composici√≥n), P > ‚Čą 1000-3000.

Hab√≠a una simple bagatela: escribir la f√≥rmula para la presi√≥n en el centro del planeta. En una primera aproximaci√≥n, se estima como p ‚Čą ŌĀgR / 2 , donde ŌĀ es la densidad del planeta y R es su radio. Sustituyendo aqu√≠ g = GM / R 2 y M = (4 ŌÄ / 3) ŌĀR 3 obtenemos:

p ‚Čą (2 ŌÄ / 3) GŌĀ 2 R 2 .

Wow! Y esto es muy similar a la f√≥rmula [10]. Casi los mismos factores. ¬ŅQu√© pasa si se combina? Resultar√°:

V 1 2 / u 2 > 2 p / ( ŌĀq ) [20]

Pero p est√° ligado al "coeficiente planetario". A saber, p = ŌÉP. Sustituir esto:

V 1 2 / u 2 > 2 ŌÉ / ( ŌĀq )

Reescribe un poco:

V 1 2 / u 2 > 2 P * ( ŌÉ / ŌĀ ) / q

( ŌÉ / ŌĀ ) es el l√≠mite de resorte del contenido de energ√≠a de la materia. Es cierto, si sustituye aqu√≠ los materiales m√°s duraderos como el grafeno. Las rocas reales son m√°s suaves y tienen menos contenido de energ√≠a. Deje K veces. Es decir, para planetas reales ( ŌÉ / ŌĀ ) es el l√≠mite de resorte dividido por K. ¬ŅQu√© es q ? ¬°Este es el contenido energ√©tico del mejor combustible qu√≠mico! Igual ... al alcance de la primavera! Dos l√≠mites de primavera se acortan y quedan:

V 1 2 / u 2 > 2 P / K

K para materiales de piedra típicos es 100-1000. P para planetas grandes: de mil y decenas de miles. Por lo tanto, en la mayoría de los planetas tectónicamente activos con una atmósfera, la primera velocidad cósmica es significativamente mayor que la velocidad límite del flujo de salida de un motor químico.


¬ŅQu√© conclusiones siguen?

  • En el rango m√°s bajo de masas de planetas habitados, el costo de lanzarse a la √≥rbita es relativamente bajo. Solo diez veces m√°s caro que entregar la misma carga en cami√≥n.
  • Para la mayor√≠a de los planetas habitados, este par√°metro es de varios cientos, como para nosotros.
  • En los planetas m√°s grandes, son decenas de miles. Casi lo mismo que cu√°nto nos cuesta lanzar sondas interplanetarias con una tercera velocidad espacial sin una maniobra gravitacional. Si los tipos pobres de un planeta as√≠ comenzaron su programa espacial al mismo tiempo que nosotros, ahora obviamente est√°n celebrando el lanzamiento de aproximadamente el tercer sat√©lite artificial. Y sue√Īa desesperadamente con un vuelo tripulado.

En general, en casi todo el rango de par√°metros realistas de los planetas habitados, el costo de poner la carga en √≥rbita es exponencialmente alto. Los refuerzos son casi seguramente caros para todos. Y mientras estamos sentados aqu√≠ y leyendo este art√≠culo, en alg√ļn lugar de las galaxias distantes, distantes, los Korolevs, M√°scaras y Marrones locales est√°n presionando, ganando gramos de peso y segundos de impulso espec√≠fico, maldiciendo contra el L√≠mite de Primavera. Casi todas las civilizaciones planetarias, si las hay, se ven obligadas a resolver el problema que ahora nos enfrenta: c√≥mo saltar, moverse, arrastrarse por debajo del l√≠mite de primavera.

La mayoría de ellos tienen tres formas para esto.

O trate de exprimir la primavera hasta el final debido a los nanomateriales y los éxitos en la química exótica. No es una mala idea

O "despedir a un agente", desarrollando física de alta energía no nuclear. Me gusta de esta manera, pero entiendo que bien puede ser solo mi ilusión personal.

O desarrollar la energía nuclear. Pero todo está mal aquí. Es probable que las criaturas resultantes de la evolución química tengan miedo a la radiación con sus energías cuánticas, órdenes de magnitud más altas que la energía de los enlaces químicos. Sí, probablemente, en principio, puede encontrar medios para reparar células vivas, incluso para toda la biosfera. Allí, Deinococcus radiodurans [ 980 ] tolera dosis de radiación de 10 a 30 veces mayores que incluso sus contrapartes bacterianas, lo que demuestra un teorema sobre la posibilidad fundamental de reparación del ADN en un organismo vivo. Sin embargo, existe una gran diferencia entre una bacteria y toda la biosfera, y de ninguna manera es el hecho de que es superable. Personalmente lo dudo mucho.

¬ŅDije tres maneras? Hay, sin embargo, un cuarto. Est√° disponible para nosotros, y algunos m√°s afortunados.

A saber, lanzar robots telecontrolados en los satélites más cercanos. Para construir ciudades, plantas, cohetes, estaciones a partir de materiales locales por las fuerzas de estos robots, sin arrastrarlos desde el fondo del pozo gravitacional de un planeta pesado. En este sentido somos muy afortunados. Nosotros, a una distancia de unos 1.25 segundos luz, tenemos una luna. Con una gran oferta de recursos. Para controlar un robot lunar desde la Tierra en la televisión, no se requieren potentes sistemas de inteligencia artificial. Este es un problema resuelto en la década de 1970. Y esta solución se puede mejorar radicalmente pidiendo ayuda para la robótica moderna, la programación y el aprendizaje automático. El siguiente movimiento aquí, en cierto sentido, es para los lectores de Habr.

Pero, muy probablemente, no todas las civilizaciones han tenido tanta suerte. Y muchos de ellos no tienen luna cerca.

¬ŅPor qu√© sospecho que, a medida que mejora nuestra capacidad de detectar civilizaciones, cuando miramos el espacio habitado, veremos una imagen que se parece cada vez m√°s a esto?



¬°Muchas gracias a todos y que tengan un buen 2019!

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El texto de este tama√Īo no se puede escribir sin imprecisiones o errores. Realmente aprecio sus √ļtiles comentarios y correcciones. Me alegra que haya tanta gente bien informada y pensante.

Pero, con toda probabilidad, esta es mi √ļltima gran publicaci√≥n en Habr√© durante al menos un a√Īo. Porque uno no puede violar la ley de conservaci√≥n de la energ√≠a con impunidad. Y lo viol√© durante mucho tiempo y sin piedad. Despu√©s de todo, escribir un art√≠culo as√≠ lleva muchos meses, y la deliberaci√≥n lleva a√Īos. Y este es el trabajo que interfiere seriamente con las tareas de supervivencia: trabajo, entrevistas, familia y gr√ļas de reparaci√≥n. Consume mucho tiempo en una escala que amenaza la vida y la carrera normales. En Habr√©, este esfuerzo, por desgracia, est√° mal compensado. No estoy buscando trabajo en Rusia. El tema del art√≠culo no es esencial. Un simple intento de pedirle a las criptomonedas que completen el ciclo, incluso en el centro "I PR", causa tal bombardeo de karma que durante otra hora, y entrar√≠a en solo lectura, y nunca ver√≠as este art√≠culo.

Sin embargo, no me despido, ¬°y gracias de nuevo a todos!

En conclusión, quiero hacer un gran agradecimiento peronal:

  • A los amigos que ayudaron a leer este texto antes de su publicaci√≥n: Anna Denburg, Daniel Kornev, Denny Gursky, Eugene Luskin, Ilya M. Krol, Khavryuchenko Oleksiy, Michael Entin.
  • Universidad Estatal de Novosibirsk por lo que queda en mi cabeza despu√©s de que olvid√© todo: para una educaci√≥n de calidad.

[355] Resistencia de los materiales.
[945] Formas alternativas de bioquímica
[948] √Ārea habitada
[950] Asteroide Ultima Thule, tambi√©n conocido como "mu√Īeco de nieve"
[960] La "definición" moderna, pah, la definición del planeta
[970] La presión en el centro de la tierra (que es aproximadamente el doble de la obtenida por una estimación simple a una densidad uniforme)
[980] Deinococcus radiodurans, bacteria resistente a la radiación
[990] La prevalencia de elementos químicos en el universo

Source: https://habr.com/ru/post/439462/


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