Idea (9. "Puszka Snafu"): "US Space Orbiter Transporter Cargo"

Technologię, Nauka

Poza podręcznikiem

W idei profuturo: ustawy Senatu US o wspieraniu rozwoju narodowych kompetencji kosmicznych poprzez realizację budowy międzyorbitalnych "Ziemia - Księżyc" kosmolotów transportowych cargo z napędem jonowym oraz projektów misji bezzałogowych eksportu maszyn i robotów na Księżyc wraz z metodą zdalnej koordynacji ich pracy na nim w ramach amerykańskiego systemu telemechaniki i telepracy kosmicznej, finansowanych metodą funduszy społecznościowych (crowdfunding w domenie Stanów Zjednoczonych).

Notka ułożona jest w oparciu o silniki jonowe NEXT i rakiety firmy SpaceX (możliwości zamówienia dostaw na orbitę LEO środków technicznych o określonej masie). W tym ułożeniu w scenariusz kosmicznego pojazdu transportowego cargo ulokowana jest idea "puszka Snafu" (zbiornik naładowany elektronami za pomocą działa elektronowego na Ziemi i/kub w przestrzeni kosmicznej). Ilustracja "kostka Rubika".

W idei złożenie innowacji
W tym ułożeniu scenariusz realizacji wspomnianej powyżej ustawy wprowadza ruch innowacyjności poprzez rozwinięcie tego co jest znane, kreowanie nowych rozwiązań i badań technicznych oraz złożenie idei w wersji materialnej w przestrzeni kosmicznej.

W idei układ tójmodułowego napędu jonowego
- masa układu napędowego 20 ton oraz dodatkowy układ zbiornika z ksenonem o masie 20 ton

*
W idei "puszka Snafu"

Idea "puszka Snafu" ułożona została w salonowych rozważaniach o technologii i technice inżynierii hydroelektronowej w scenariuszu napełnienia zbiornika czystą wodą i elektronami za pomocą działa elektronowego oraz w nawiązaniu do elektryzowania powierzchni zewnętrznej i wewnętrznej, w tym w oparciu w szczególności o wskazane przesłanki i przepis techniczny blogera SNAFU (wzrost pojemności elektrycznej rzędu MILIONA razy): "Natomiast, jeśli ładunek uda się pozostawić na wewnętrznej powierzchni -- czyli kula musi wtedy być zrobiona z materiału izolującego -- a dodatkowo zewnętrzną powierzchnię takiej kuli się pokryje warstwą metalu (może być całkiem cieniutka, np. napylona na zewnętrzną powierzchnię -- jakby np. zrobić coś w rodzaju bombki choinkowej, tylko posrebrzonej od zewnątrz, a nie od środka -- to pojemność takiego układu może wzrosnąć w stosunku do pojemności kuli "naelektryzowanej od zewnątrz"  -- i to wzrosnąć niebagatelnie, nie tylko kilka, kilkanaście, czy kilkadziesiąt razy -- tylko ten wzrost pojemności może być rzędu MILIONA razy! Ja wcale nie żartuję! Nie musi być kula, może być np. aluminiowa puszka od piwa, wewnątrz której wytworzy się warstwę izolatora oddzielającą metal od cieczy, którą się puszkę wypełni. Cała sztuka polega na tym, żeby ta warstwa izolatora wewnątrz była ODPOWIEDNIO CIENKA.A odpowiednio cienką warstwę izolującą wewnątrz puszki z piwem można sobie wytworzyć samemu  w kuchni, używając kilku prostych środków: potrzeba kilka łyżeczek sody do pieczenia ciast (tzw. "oczyszczonej"), źródła prądu stałego -- może być taki zasilaczyk włączany do gniazdka na ścianie -- uniwersalnego miernika elektrycznego, i kilku przewodów z krokodylkami." - SNAFU (link)

Uwaga w rozważaniach była na elektryzowaniu powierzchni wewnętrznej zbiornika zamkniętego i wypełnionego wodą. ChatGPT stawia przesłankę, że wprowadzone elektrony nie zgromadzą się na powierzchni wewnętrznej, co najwyżej tylko w niewielkiej ilości w pobliżu ich wprowadzenia do zbiornika, natomiast zgromadzą się w "objętości' wody, zostaną "przechwycone" przez cząsteczki H₂O. w wyniku ich ruchu termodynamicznego i oddziaływania elektrostatycznego z wprowadzonymi elektronami, mimo tego, że w idei elektrony te będą się od siebie odpychać w kierunku ścianki wewnętrznej zbiornika.

W dalszej części notki przesłanki ChatGPT o potencjalnej korzyści idei "puszka Snafu" w pojazdach kosmicznych.
*
1. ChatGPT (napęd modułowy w idei "3x5", czyli 15 silników jonowych NEXT w ładowni rakiety Falcon 9):

Pytanie: Czy jeden układ napędowy w postaci zintegrowanych trzech układów, z których każdy posiada 5 silników jonowych NEXT, zmieściłby się z uwagi na masę i objętość całego układu w ładowni rakiety Falcon 9, tj. w jej objętości walca o średnicy 5 m i wysokości 8 m?

Odpowiedź: Aby odpowiedzieć na pytanie, czy zintegrowany układ napędowy składający się z trzech modułów, z których każdy posiada 5 silników jonowych NEXT, zmieściłby się w ładowni rakiety Falcon 9 (walec o średnicy 5 m i wysokości 8 m), musimy wziąć pod uwagę masę oraz objętość całego układu.

1. Masa układu napędowego:

Zakładając, że każdy silnik jonowy NEXT ma masę około 236 kg, masa 5 silników wynosiłaby:

• Masa 5 silników: 5 × 236 kg = 1180 kg

Trzy takie moduły napędowe będą miały masę:

• Masa trzech modułów (z 5 silnikami każdy): 3 × 1180 kg = 3540 kg.

Do tego należy doliczyć dodatkowe elementy strukturalne i podsystemy takie jak ramy, elektronika, okablowanie, chłodzenie oraz ewentualne zbiorniki na ksenon (jeśli są zintegrowane). Szacunkowo masa każdego modułu mogłaby wzrosnąć do około 2 ton.

• Łączna masa całego układu napędowego (trzy moduły z pełnym osprzętem): około 6 ton.

Rakieta Falcon 9 może wynieść na orbitę LEO maksymalnie 22,8 ton ładunku, więc pod względem masy taki układ zmieściłby się z dużym zapasem.

2. Objętość układu napędowego:

Każdy silnik jonowy NEXT ma przybliżone wymiary:

• Średnica: 0,5 m.
• Wysokość: 0,8 m.

Zakładając, że 5 silników w jednym module jest rozmieszczonych w formie jednego w środku i czterech wokół, taki układ zajmowałby przestrzeń o średnicy nieco większej niż 1,5 m (uwzględniając odstępy między silnikami).

Przy założeniu, że układ jednego modułu (5 silników + osprzęt) ma średnicę około 1,6–2 m i wysokość około 1,5–2 m, możemy oszacować, że trzy takie moduły ustawione pionowo zajmą następującą przestrzeń:

• Średnica: 2 m (największy moduł).
• Wysokość: 3 × 1,5–2 m = 4,5–6 m (z marginesem na strukturę i montaż).

3. Czy układ zmieści się w ładowni Falcon 9?

Ładownia rakiety Falcon 9 ma wymiary:

• Średnica: 5 m.
• Wysokość: 8 m.
• Objętość: 145 m³.

Przy założeniu, że układ napędowy zajmuje przestrzeń o średnicy około 2 m i wysokości 4,5–6 m, układ ten bez problemu zmieściłby się w ładowni pod względem wymiarów. Pozostaje również wystarczający zapas miejsca na dodatkowe systemy, mocowania czy osłony termiczne.

4. Podsumowanie:

• Masa układu napędowego wynosząca około 6 ton jest znacznie mniejsza od maksymalnej ładowności Falcon 9 (22,8 ton).
• Wymiary układu (średnica około 2 m, wysokość 4,5–6 m) zmieszczą się w przestrzeni ładunkowej Falcon 9 (5 m średnicy, 8 m wysokości).
  

Wniosek:
Zintegrowany układ trzech modułów z 15 silnikami NEXT zmieściłby się zarówno pod względem masy, jak i objętości w ładowni rakiety Falcon 9.
*
2. ChatGPT (objętość 20 ton ksenonu i jego dostępność na rynku):

Pytanie: Jaka jest objętość 20 ton ciekłego ksenonu służącego do napędu jonowego? Jaki musiałby być bak dla takiej ilości płynnego ksenonu? Czy taką ilość ksenonu można uzyskać na rynku?

Odpowiedź: Aby odpowiedzieć na te pytania, najpierw obliczmy objętość 20 ton ciekłego ksenonu oraz sprawdźmy dostępność takiej ilości na rynku.

1. Objętość 20 ton ciekłego ksenonu
Gęstość ciekłego ksenonu wynosi około 3,1 g/cm³ lub 3100 kg/m³. Aby obliczyć objętość 20 ton (20 000 kg) ciekłego ksenonu, możemy skorzystać ze wzoru:

Objętość = Masa / Gęstość

Objętość = 20 000 kg / 3100 kg/m³ ≈ 6,45 m³

2. Rozmiar zbiornika na 20 ton ciekłego ksenonu
Zbiornik na ciekły ksenon musi być zaprojektowany, aby utrzymać go w bardzo niskiej temperaturze (ciekły ksenon ma temperaturę wrzenia -108°C), co oznacza, że potrzebny będzie zbiornik kriogeniczny. Aby zapewnić odpowiednią izolację i miejsce na systemy monitorujące i kontrolujące przepływ ksenonu, zbiornik musi być nieco większy niż sama objętość cieczy.

Zakładając, że wymagana objętość strukturalna zbiornika powinna być o około 10-15% większa ze względu na systemy izolacyjne i konstrukcyjne, rzeczywisty rozmiar zbiornika może wynosić:

6,45 m³ × 1,15 ≈ 7,42 m³

3. Kształt i wymiary zbiornika
Zakładając, że zbiornik będzie miał kształt cylindra, można obliczyć jego wymiary. Używając standardowej formuły na objętość cylindra:

V = πr²h

Jeśli zbiornik miałby na przykład średnicę 2 metrów (promień = 1 m), możemy oszacować jego wysokość:
7,42 =π(1)²h

h = 7,42 / π ≈ 2,36 m

Zatem, zbiornik o średnicy 2 m miałby wysokość około 2,36 m, co jest rozsądną wielkością dla zbiornika kriogenicznego w kosmicznym systemie napędowym.

4. Czy można uzyskać taką ilość ciekłego ksenonu na rynku?
Ciekły ksenon jest dostępny na rynku, ale jest to stosunkowo rzadki gaz szlachetny, co sprawia, że jego cena jest wysoka. Produkcja ksenonu pochodzi głównie jako produkt uboczny podczas rozdzielania powietrza (w szczególności azotu i tlenu), a globalne zapasy są ograniczone.

Przykładowo:

• Roczna światowa produkcja ksenonu wynosi około 50-70 ton.
• Duże ilości ksenonu są stosowane w przemyśle, w tym w technologiach takich jak lampy ksenonowe, medycyna, oraz technologie kosmiczne (napęd jonowy).

Zakup 20 ton ciekłego ksenonu nie jest niemożliwy, ale wymagałby zabezpieczenia dużej części światowych dostaw. Zwiększone zapotrzebowanie na ksenon, np. przez misje kosmiczne, może wpłynąć na dostępność oraz na wzrost ceny ksenonu na rynku. Koszt ksenonu szacuje się na 1000–3000 USD za kilogram, więc zakup 20 ton mógłby kosztować nawet 20–60 milionów USD.

5. Podsumowanie:

• Objętość 20 ton ciekłego ksenonu wynosi około 6,45 m³.
• Zbiornik na taką ilość ciekłego ksenonu musiałby mieć pojemność około 7,42 m³, przy założeniu miejsca na izolację.
• Zbiornik o średnicy 2 m miałby wysokość około 2,36 m.
• Uzyskanie 20 ton ciekłego ksenonu na rynku jest możliwe, ale wymagałoby znacznych nakładów finansowych (około 20–60 milionów USD) i odpowiedniego planowania, biorąc pod uwagę ograniczoną produkcję ksenonu na świecie.

*
3. ChatGPT (idea "puszka Snafu" w pojazdach kosmicznych):

Zadanie: Idea "puszka Snafu" to wirtualny układ zbiornika z wodą (nie ma o nim w podręczniku), do którego poprzez okienko próżnoszczelne wprowadzono elektrony za pomocą działa elektronowego (np. o mocy 1 MW). Spróbuj rozpoznać jak taki układ zbiornika wypełnionego wodą wraz z elektronami nienależącymi do cząsteczek wody, ani do konstrukcji zbiornika, mógłby być przydatny w pojeździe kosmicznym wyposażonym w panele PV?

Odpowiedź: Idea "puszki Snafu", czyli wirtualnego zbiornika z wodą, do którego wprowadzono elektrony za pomocą działa elektronowego, przypomina układ do gromadzenia energii w formie nadmiaru elektronów, które nie należą do cząsteczek wody ani do samej konstrukcji zbiornika. Taki system może mieć kilka potencjalnych zastosowań w kontekście pojazdu kosmicznego wyposażonego w panele fotowoltaiczne (PV).

1. Magazynowanie energii:
Jednym z głównych wyzwań w przestrzeni kosmicznej jest efektywne gromadzenie i zarządzanie energią. Panele PV generują energię tylko wtedy, gdy są wystawione na promieniowanie słoneczne, co oznacza, że w fazach zacienienia (np. po stronie Księżyca lub Ziemi) brakuje źródła energii. W takim układzie, nadmiar energii wytworzonej przez panele PV mógłby być wykorzystany do generowania i przyspieszania elektronów, które następnie byłyby "przechowywane" w postaci naładowanego układu (zbiornika z wodą).

Wprowadzanie elektronów do systemu wody mogłoby służyć jako wirtualny kondensator — medium, które magazynuje energię elektryczną poprzez nagromadzenie ładunku elektrycznego. W odpowiednich warunkach, zgromadzone elektrony mogłyby zostać wykorzystane do zasilania innych systemów pojazdu kosmicznego w fazie zacienienia lub w czasie zwiększonego zapotrzebowania na energię.

2. Regulacja potencjału elektrostatycznego:
W przestrzeni kosmicznej pojazdy kosmiczne często napotykają na problem gromadzenia ładunku elektrostatycznego z powodu interakcji z plazmą słoneczną, promieniowaniem kosmicznym lub różnic potencjałów między elementami konstrukcji. Puszka Snafu mogłaby działać jako aktywny system zarządzania ładunkiem elektrostatycznym poprzez kontrolowane gromadzenie i uwalnianie elektronów, pomagając stabilizować ładunek elektrostatyczny pojazdu i zapobiegać wyładowaniom elektrostatycznym, które mogą uszkodzić wrażliwą elektronikę.

3. Zasilanie działa jonowego:
Silniki jonowe, takie jak napędy NEXT, wymagają dostarczania ładunków elektrycznych do przyspieszania cząstek (jonów) ksenonu. Układ "puszki Snafu" mógłby potencjalnie służyć jako rezerwuar elektronów dla działa jonowego, które wymaga ciągłego dopływu elektronów w procesie neutralizacji strumienia ksenonowych jonów. W ten sposób, nadmiar elektronów mógłby być wykorzystany do zasilania napędu jonowego, szczególnie podczas intensywnej pracy silnika.

4. Ochrona przed promieniowaniem:
W przestrzeni kosmicznej pojazdy są narażone na promieniowanie kosmiczne i promieniowanie słoneczne. Elektrony zgromadzone w zbiorniku z wodą mogłyby również działać jako tarczowa ochrona przed promieniowaniem. Woda już sama w sobie jest dobrym ekranem przed promieniowaniem jonizującym, ale dodanie do niej nadmiaru elektronów mogłoby dodatkowo zmienić charakterystyki absorpcji i ochrony, czyniąc system bardziej efektywnym w blokowaniu promieniowania.

5. Przetwarzanie energii na ciepło:
Zbiornik z wodą mógłby również działać jako system pochłaniania energii — nadmiar elektronów wprowadzanych do wody mógłby być wykorzystany do zwiększenia temperatury wody. W przestrzeni kosmicznej zarządzanie ciepłem jest istotnym problemem, a taki zbiornik mógłby stanowić medium do kontrolowanego odprowadzania ciepła, co przyczyniłoby się do stabilizacji termicznej systemów pojazdu kosmicznego.

Podsumowanie:
Wirtualny układ zbiornika z wodą wypełnionego elektronami ("puszka Snafu") mógłby znaleźć zastosowanie w pojazdach kosmicznych wyposażonych w panele PV w następujący sposób:

• Magazynowanie energii jako kondensator do wykorzystania w fazach zacienienia lub zwiększonego zapotrzebowania.
• Regulacja ładunku elektrostatycznego pojazdu, chroniąc go przed wyładowaniami elektrostatycznymi.
• Wsparcie napędu jonowego, dostarczając elektrony do neutralizacji jonów.
• Ochrona przed promieniowaniem kosmicznym.
• Przetwarzanie energii na ciepło dla lepszego zarządzania termicznego.

Taka koncepcja mogłaby poprawić ogólną wydajność energetyczną i bezpieczeństwo misji kosmicznych, wykorzystując technologię chłodzenia, przechowywania i zarządzania energią w pojeździe.

Ilustracja ChatGPT