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天宫集团关于小行星131661地球化的初步可行性报告

作者:   /  2017 年 12 月 5 日  /  还没有评论

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摘要

本文简述将小行星131661[1]地球化所必须的关键技术及其带来的风险与预防措施,具体集中在重力发生系统以及大气系统。本报告生成于2177年11月24日,为天宫集团工程技术委员会的内部会议报告整理而成。

项目背景介绍

小行星131661位于主小行星带,半长轴2.23597个天文单位,公转周期3.34年轨道离心率0.0259,轨道倾角2.75度,半径12.5公里,表面反射率较低。上个世纪的天体物理学家没有良好的估算小天体质量的方法,仅通过光谱认为131661是一颗松散堆的石块。

从本世纪中叶开始的“微卫星主带小行星普查计划”[2],对主带小行星带上半径大于5千米的天体抵近进行质量测定,目前已完成85%。2163年该计划发现,小行星131661质量异常的大约为8.69755*10^16kg。之后的抵近扫描发现在其约2.5公里的松软岩石下是一个半径为10公里的金属内核。具体形成机制还有争议,有人认为是由于两颗行星剧烈碰撞,从其内核中甩出的金属液滴凝固形成。

天宫集团在本世纪初获得了该小行星的探测和开采权。70年探测显示131661内部的金属核中心密度最大主要由铱,铂,金,银,铑,钯构成。可开采半径约1200立方千米,其中铱,铂,金,银占46.3%,17.2%,21.6%,7.4%。储量均远远超过地球地壳中储量。价值无法估量。其巨大的铱储量,使其在集团内部的代号Iridium(铱)。因集团考虑到小行星带猖獗的海盗活动决定秘密进行开采。

开采从2172年6月持续至今,131661内部几乎被淘空,工程团队发现131661内核外部,形成了一个稳定的金属壳结构,经过简单加固就能承受产生1G重力的引力发生装置,产生的巨大压力,并且内部的球形空间为大型引力发生装置留出了充足空间。集团在76年的年会上提议对131661进行地球化改造,使之成为一颗被大气层包裹的,有着宜人气候的半人造太空城市。立足于小行星带专注服务于来往内外太阳系航线的驿站,同时也是火星和小行星带上最大的旅游城市。目前改造后的行星名称备选方案包括:怡宁、驿星、驿宁、宁驿。

1 重力方案

131661现质量为8.69755*10^16kg,如果使其表面引力达到1g需要,增加巨大的质量,如果维持12.5千米半径需要的质量约为2.29573*10^19kg。从成本上不合适。我们建议将城市半径建为10千米这样需要的质量约为1.46927*10^19kg。所需增加的质量为小行星带质量的0.4%。

其中利用盖亚计划“遗产”预制的10^19kg引力发生器可以提供城市最初建设需要的重力。并且提供一个合适的势井。在中后期吸取轨道上相对速度较小的天体,以增加自身质量。

1.1 质量增加与风险控制

并且根据散射公式:
\sigma=\pi R^2(1+\frac{2Gm}{Rv_0^{2}}). [3][4]通过现有散射截面与原有截面的比值,得到质量的增加可以调节城市被小行星击中的概率,与城市相对速度不同小天体碰撞概率增加不同,相对速度越小碰撞几率越大,当相对速度小于116.3m/s时概率能增加10倍,对相对速度大于1000m/s的天体碰撞概率增加不会超过12 %。

图1.1.1被集中概率关于小行星与城市在远处相对速度的关系

图1.1.1被集中概率关于小行星与城市在远处相对速度的关系

 

由此可以得到两个结论

1. 城市质量的增加不会增加其被高速天体击中的概率。

2. 相对速度较小的天体落入城市重力井的概率大大增加,这些天体可以有效的被捕获并作为简并物质制作的原料,成为城市增加质量的主要来源物。

2

图1.1.2小行星数量随半轴长分布[5]

 

根据目前的技术[6]建立一个驱离2000m/s以内中等质量小行星,捕获700m/s以内中等质量小行星的防御系统是可行的。图1.1.2显示在城市处在的2.23天文单位处的小行星较多,根据计算模拟,经过大约两个周期(6年)的运行,城市可以清除其轨道上多数日后对城市造成威胁的天体,并且增加4*10^18kg质量。两个周期后对城市造成威胁的天体会显著减少。少数低速接近城市的天体可以给城市的太空矿场提供资源。

高速天体的碰撞概率不会显著增加。低速天体可以通过防御系统、太空矿区驱离或捕获。这也说明了地球化改造过程中质量增加引起的小行星撞击风险可以有效控制。

2 大气方案

2.1 自然开放大气的困难

131661现质量与地球相比依旧很小。如果通过开放大气的方式维持城市海平面一个大气压的压力,几乎是不可能的。改造后城市的逃逸速度为 \sqrt{2gR} (g为海平面重力加速度,R为星球半径)数值为442.7m/s。而空气中氧气和氮气的最概然速率分别为394.8m/s和422.0m/s。均十分接近逃逸速度。进一步利用麦克斯韦速率分布得出超过逃逸速度的氧气氮气分子占比为40.8%和56.0%。开放大气会在很短时间(不超过一年)内散失掉。

即使我们能不断的补充大气。根据有外场情况下的粒子分布规律得到 n=n_0e^{\frac{GMm}{RT}(\frac{1}{r+r_0}-\frac{1}{r_0})} [7]( n_0 为势能0点的粒子数,r_0 为势能零点,M为气体摩尔质量,m为星体质量。).代入 p=nkT .得到 p=p_0e^{\frac{GMm}{RT}(\frac{1}{r+r_0}-\frac{1}{r_0})} .认为温度不变为300K,对r取极限得到。当 r\rightarrow \infty , p=p_0e^{-\frac{GMm}{RTr_0}} 约为原气压的32.0%。无限远处气压依旧可观,证明单纯的补充大气也不能维持城市大气压。

 

图2.1.1 橙色为地球大气曲线,绿色为模拟得到的等温曲线,蓝色为极限

图2.1.1 橙色为地球大气曲线,绿色为模拟得到的等温曲线,蓝色为极限

2.2 全封闭与约束方案

维持城市大气最简单最经济的方案是建立一个封闭结构,利用透明材料包裹整个行星。通过两极与南北纬45度的立柱和分布在赤道的铆钉卫星,可以在星球上空搭建一个以碳纳米管为材料的骨架,在骨架间搭设透明薄膜。[8]

图2.2.1 全球碳纳米管骨架

图2.2.1 全球碳纳米管骨架

 

另一种方法则是在城市上空10千米处建立产生包裹星球厚度0.5米的1MV的高压电场使用高压电场电离空气分子,通过叠加适当的磁场可以将气体约束在海拔10千米以内。但是按以往的经验,等离子体可能在磁场层内大量聚集,最终逃逸甚至烧毁附近设备。[9]

此外,还可以通过在10千米处高空建立一个200米厚的温度接近0.1K的低温层,约束气体外泄。但是维持0.1K低温需要大量能量。并且可能导致行星温度上升,需要在大气层外建立大型散热系统。

后两种方案从成本和技术成熟度都不如第一种方案。我们建议集团可以采取较为保守的第一种方案。

总结

我们认为对小行星131661怡居化的关键技术没有问题,相关风险也在可以管控的范围内。预计2180年前可以完成技术准备工作开始动工,分三期进行内部,表面和大气的改造工作,在2200年左右完成。

 

参考文献

[1]https://ssd.jpl.nasa.gov/sbdb.cgi?sstr=131661

[2]刘峰等.利用微小卫星对主带小行星质量测定
[J]. 宇航工程学, 2139, 102(2):74-78.

[3]朗道、栗弗席兹、李俊峰. 理论物理学教程:力学[M]. 高等教育出版社, 2007.53

[4]王大可.火星地球化对太阳系空间环境的影响[R]上海:盖亚计划预研委员会,2073

[5]数据来自JPL小天体数据库,图片由驿宁物理研究所重置

[6]刘拓殖等.小行星防卫技术现状[J].未来工程学,2170,112(1):10-27

[7]黄淑清, 聂宜如, 申先甲. 热学教程.第3版[M]. 高等教育出版社, 2011.149

[8]刘拓殖等.基于高强度材料的空间站透明穹顶设计[J].未来工程学,2135,98(3):123-127

[9铃原艾米丽,局域开放式大气技术现状[J].科学太阳系,2175,75(7):323-327

 

延伸阅读

驿宁共和国是位于小行星带的一个新兴城邦国家,它独占一个直径为20公里的小行星,表面积约1300平方公里,比香港略大。驿宁共和国前身是中国在小行星带的一个太空殖民城市,在经过与直接统治者祺孚公司的抗争后于2216年5月8日正式独立建国。驿宁共和国人口在2217年10月已经突破七万人,支柱产业是太空港口、太阳系航运、船舶工业、小行星带采矿以及贸易,它是小行星带S1和S2航道的七个主要枢纽驿站之一。

阅读完整介绍:驿宁共和国 – 23世纪百科 | 专注记录两百年后的知识

 

作者:manifolds/王大可

编辑:庄比

题图来源:simon_lee

 

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