가장 빠른 속도
미세 입자 가속기의 속도를 최대화하는 선택지를 아래 제시하겠음.
1mm 다이아몬드 구(1600 MPa, 3510 kg/m^3), 내부는 비어 있고 두께는 구 반지름의 1000분의 1임. 질량은 1.83*10^-9 kg 이고 음전하로 대전되면 1.5C/kg 까지 견딜 수 있고 양전하면 3C/kg 까지 가능함. 50 KeV 전자나 500 KeV 양성자를 반사할 수 있음. 최대 가속력 6.8^10^11 m/s^2
탄소섬유로 된 마이크로미터 크기 구(7000 MPa, 1790 kg/m^3), 내부는 비어 있고 두께는 지름의 100분의 1임. 질량은 9.4*10^-16이고 음전하면 296 C/kg, 양전하면 2960 C/kg 까지 버틸 수 있음. 50 eV 전자나 500 eV 양성자를 반사할 수 있음. 최대 가속력 5.8^10^12 m/s^2
탄소나노튜브로 된 마이크로미터 넓이, 센티미터 길이 바늘 (63000 MPa, 1000 kg/m^3), 내부는 비어 있고 두께는 지름의 10분의 1임. 질량은 7.8*10^-14이고 음전하면356 C/kg, 양전하면 3560 C/kg 까지 버틸 수 있음. 50 eV 전자나 500 eV 양성자를 반사할 수 있음. 최대 가속력 9.45^10^13 m/s^2
Carbon nano lattice로 된 10나노미터 크기 구(200 MPa, 300 kg/m^3), 질량은 1.6*10^-22이고 음전하면 8850 C/kg, 양전하면 39665 C/kg 까지 버틸 수 있음. 0.5 eV 전자나 5 eV 양성자를 반사할 수 있음. 최대 가속력 1^10^11 m/s^2
가속기의 종류에 따라 입자의 최대 C/kg 값이 달라지고, 모든 입자는 전계 방출이나 입자 자체의 인장 강도에 따라 C/kg 값이 제한되므로 각각의 가속기 유형에 따라 가속력이 달라짐.
가속기의 종류는 다음과 같음
1단 10 MV 정전 가속기
100m 길이 다단 정전 가속기, 가속 구배 = 3 MV/m
100m 지름 10T 원형 가속기
100m 길이 전자 pushrod 가속기
100m 길이 양성자 pushrod 가속기
성능 수치는 다음과 같음
A1. 7.7 km/s
A2. 243 km/s
A3. 266 km/s
A4. 890 km/s
B1. 42 km/s
B2. 1332 km/s
B3. 1461 km/s
B4. 4877 km/s
C1. 1.5 km/s
C2. 1480 km/s
C3. 1780 km/s
C4. 19827 km/s
D1. 11661 km/s
D2. 721 km/s
D3. 불가능
D4. 890 km/s
E1. 11661 km/s
E2. 10392 km/s
E3. 불가능
E4. 913 km/s
큰 입자는 입자의 인장 한계에 최대 속도가 제한됨. D1과 E1에서 값이 같은 이유는 다이아몬드 구가 버틸 수 있는 최대 인장강도에 제한받기 때문임.
작은 입자의 경우 C/kg 가 충분히 크다면, 원형 가속기가 더 흥미로워짐. B와 C를 비교해보면 알 수 있음.
막대형 입자의 경우 정전 가속기에서는 정상적으로 가속이 가능하지만, blowpipe 가속기에서는 입자가 휘어버리기 때문에 가속이 불가능함.
핵분열 증폭
밀리미터 크기의 미세 입자는 몇 밀리그램을 빈 공간 속에 운반할 수 있음. 만약 그 빈 공간이 핵분열 물질로 차 있다면 충격만으로도 핵반응을 일으키기 충분함.
micro-fission에 대한 연구
는 Winterberg 같은 연구자들이 이미 연구해놨음. 0.2mg 의 우라늄 235가 D-T 얼음에 덮여 있다면 10^13Pa 의 압력이 가해진다면 점화될 수 있다고 함.
이 계산의 결과를 참조한 다른 연구에서는 D-T 얼음 안에 들어있는 우라늄의 임계 질량을 계산했는데, 20km/s 로 충돌할 경우 임계 질량은 0.04g 정도였음.
이 정도 질량의 우라늄은 지름 1.6mm 의 구 안에 들어감. DT 얼음과 10마이크로미터 두께의 탄소섬유 두께도 포함한다면 지름은 3.18mm이고 질량은 0.0422g임. 평균 밀도는 2502 kg/m^3 이고 C/kg 는 0.0067임.
3 MV/m 의 전압 구배에서는 20km/s 까지 가속하는 데 9.9km이 필요하고 10T 자석의 원형 가속기는 298.5km의 반지름이 필요함.
이 구가 버틸 수 있는 최대 가속력은 탄소섬유의 인장 강도에 제한되고, 8.29*10^6 m/s^2임. 최대 가속력으로 가속한다면 24m 길이의 가속기가 필요함. 8.44kJ의 에너지가 2.4ms 동안 소모됨.
충돌할 때 우라늄은 80TJ/kg의 에너지를 내놓고 100%의 우라늄이 연소한다면 투입한 에너지 대비 38만 배의 에너지를 얻을 수 있음.
1MW 가속기는 초당 120개의 우라늄 구를 쏠 수 있고 380GW의 에너지를 얻을 수 있음.
만약 입자의 속도가 더 빠르다면 임계 질량을 더 낮출 수 있음. 임계 질량은 속도^12/5의 비율로 줄어듬.
만약 속도가 200km/s 라면 임계질량은 0.16mg임. 이 우라늄 구는 0.252mm 안에 들어감.
DT 얼음의 두께까지 포함한다면 지름은 0.5mm 이고 질량은 0.161mg 임.
이 정도 크기의 입자는 위에 설명한 1mm 다이아몬드 구 안에 들어감. 입자의 무게는 0.00183mg 증가하고 C/kg 는 89로 조금 떨어짐. 3MV/m 의 가속기로 가속한다면 200km 정도의 길이가 필요하고 10T 원형 가속기라면 1186km의 지름이 필요함.
만약 blowpipe 가속기를 사용한다면 2.2m 의 길이만으로 200km/s 를 낼 수 있음.
더 작고 빠른 핵분열 먼지는 목적지까지 더 빠르게 도달하겠지만, 얻을 수 있는 에너지 비율은 감소할 것임.
200km/s 의 먼지는 20GJ/kg의 운동 에너지를 가지고, 핵분열로 4000배의 에너지를 방출할 수 있음. 만약 우라늄의 불완전 연소를 고려한다고 해도 여전히 전달되는 에너지는 많음.
충격 점화 핵융합
빠른 속도의 미세 입자가 충돌할 때 생기는 에너지를 이용할 수도 있음. 충돌할 때 엄청난 온도와 압력은 D-T 핵융합이 일어날 조건을 만족함.
Winterberg는 충격 점화 핵융합에 대해서도 연구했음. 100km/s 의 속도는 3억 도의 온도와 핵융합 연료를 1000kg/m^3 까지 압축할 수 있다고 함.
다른 소스에서는 100km/s는 잘 부서지는 껍질일 때의 경우고, 원뿔 모양으로 생긴 충돌체라면 50km/s 도 가능하다고 함.
충격 점화 핵융합은 임계 질량이 필요없어서 작은 질량의 먼지도 사용할 수 있고, 길쭉하게 생긴 입자를 사용한다면 연료의 연소 속도를 조절할 수 있고 가속에도 유리함.
DT 연료는 kg 당 330 TJ의 에너지를 가지므로 100 km/s 로 가속한다면 66000배의 에너지를 얻을 수 있고 25960km/s 까지 에너지를 얻을 수 있음.
위에서 예시로 든 밀리미터 크기의 다이아몬드 껍데기는 78마이크로그램의 연료를 담을 수 있고, 껍질 자체 무게의 44배 정도임. 입자의 가속력은 줄어들겠지만, 줄어든 가속력으로도 blowpipe 가속기는 31cm만에 100km/s까지 속도를 올릴 수 있음.
1MW 가속기는 이런 입자 2500개를 발사할수 있을 것이고 64GW의 에너지를 얻을 수 있음.
추진
생각해볼 수 있는 가장 쉬운 용도는 우주선 추진에 사용하는 것임.
작고 가벼운 먼지들은 10000km/s 이상으로 가속할 수 있음. ISP로 환산하면 대략 1000000초에 달함. 강력한 전기추진 엔진이나 가능한 수치이고 핵융합 추진 우주선 정도만이 겨우 넘길 수 있음.
초고속 먼지들은 방사성 물질을 내뿜지도 않고 평벙한 먼지처럼 생겼음. 이 먼지들은 태양광이나 폐쇄형 원자로로(핵연료가 외부로 노출되지 않는 현재 쓰는 방식의 원자로) 가동될 수 있음. 이런 입자들의 흐름은 효율적인 추진 방식으로 고려되어왔고, 항성간 탐사를 가능하게 해줄 수 있을 것임.
증폭된 핵분열을 추진에 이용할 수도 있음. 우라늄의 임계 질량을 줄여서 펄스 당 에너지를 최소화할 수 있음. 오리온 핵 펄스 우주선에 사용된 핵폭탄은 한 번의 펄스가 627GJ의 에너지를 방출하고 이보다 더 작은 펄스는 우라늄이 불완전 연소하면서 낭비됨. Mag-Orion 이라는 Z-Pinch 버전은 큐륨-245를 사용해서 340GJ의 펄스 에너지를 갖지만, 먼지 가속기를 사용하면 0.04g의 우라늄만으로도 3.2GJ를 낼 수 있음.
핵융합 로켓 또한 미세 입자 가속기로 많은 이득을 얻을 수 있음. 이온 빔이나 레이저로 에너지를 집중해서 핵융합 반응을 일으키는 것처럼, 운동 에너지로도 에너지를 집중할 수 있음. 핵융합 반응을 점화하는 데 필요한 엄청난 에너지는 에너지를 수천 배 이상 덜 소모하는 먼지 가속기로 대체할 수 있음. 먼지들은 우주 공간에서 속도가 감소하지 않으므로 우주선의 바로 뒤에서 핵융합 반응이 점화될 수도 있고 100m의 거리에서도 점화될 수 있음. 이 점은 테라와트급의 torchship 엔진을 만들 때 유용함.(테라와트 급의 엔진은 엄청난 열을 발생시키기 때문에 되도록 먼 거리에서 엔진이 작동해야 면적 당 받는 열을 줄일 수 있음.)
미세 입자들은 우주에서 먼 거리를 빠르게 이동할 수 있고, 운동 에너지를 손실 없이 전달할 수 있음. 여러 묶음의 먼지를 조금씩 다른 속력으로 발사하고 동시에 도착하도록 해서 더 높은 최대 출력을 얻을 수도 있음. 입자를 수신하는 우주선은 입자가 충돌해서 플라즈마 폭발이 일어나게 장애물을 설치해주기만 하면 됨. 그렇게 발생한 플라즈마는 자기 노즐을 통해 분사하면 추진력으로 변환됨. 100km/s의 탄소 먼지를 기화시키기 위한 에너지는 탄소 먼지의 운동 에너지보다 83배 낮으므로 1kg 의 물체로도 83kg의 탄소 먼지를 막을 수 있음.
이런 종류의 추진 시스템은 레이저 세일과 비슷한 점이 많음. 무거운 원자로가 없어도 추진력을 낼 수 있어서 가속이 쉽고 먼지들을 기화시키기 위한 물체 대 먼지의 질량 비가 낮으므로 높은 ISP를 기대해볼 수 있음.
핵분열이나 핵융합을 일으키는 먼지를 사용할 수도 있음.
증폭된 핵분열을 일으키는 먼지들은 자기 노즐 내부에 있는 먼지들과 충돌하면서 핵폭발을 일으키고 10000km/s 가 넘는 핵분열 생성물을 배출함. 10kg/s 의 질량 흐름은 80TW의 에너지를 내놓을 것임. 만약 100kg 의 먼지를 받아내는 데 1kg의 장애물이 필요하다면 1000톤 질량 중에서 200톤의 장애물로 된 우주선은 평균 1.81g 로 가속하는 35700km/s dV의 우주선이 될 것임.
만약 50GW 가속기로 핵분열 입자를 가속한다면 이 가속기는 80TW출력을 1000톤짜리 우주선에 전달할 수 있고 이 우주선을 목성까지 9.8~14.5 시간 안에 보낼 수 있음.
레이저나 입자빔을 이용해서 먼지들을 기화시켜서 직접 충돌시키는 대신 전자기장에 충돌하는 방식을 선택할 수도 있음.
레이저는 이 먼지들을 유도하는 데 사용할 수 있음. 먼지들은 레이저에 의해 발생한 전기장 속에서 빔의 중앙에 놓이거나 특이한 각도로 휠 수 있음.
무기로의 사용
초고속 먼지는 무기로 사용될 수 있음.
먼지 가속기는 레이저나 입자 빔에 비해 더 무게가 많이 나가고, 질량 대비 출력도 작으며, 속도도 광속에 미치지 못해 단점만 있는 것처럼 보일 수 있음.
그러나 자세히 보면 장점이 있음.
먼지의 명중 확률은 다음과 같이 나타낼 수 있음.
명중률 = (표적 지름 / (0.5 * 표적 가속력 * (거리/먼지의 속도) ^ 2))^2
이 방정식은 먼지를 목표를 향해 조준(정확히는 표적의 가속력을 고려한 원 모양의 예상 궤적 집합 안에 랜덤으로 발사할 때)할 때 표적이 도망칠 수 있는 영역을 표적의 면적으로 나눈 값임.
2000km 거리에서 0.5g 로 가속하는 우주선을 1000km/s 먼지 가속기로 조준한다면 명중 확률은 30%임.
이 식을 뒤집으면 유효 사거리를 구할 수 있음.
유효 사거리 = 먼지 속도 * 표적 지름^0.5 / (명중률 ^ 0.25 * (0.5 * 표적 가속력) ^ 0.5))
만약 1000km/s 의 먼지 가속기가 명중률 10% 까지 허용한다면, 5m 반지름의 0.5g 가속력을 낼 수 있는 표적의 사거리는 2650km임. 식을 보면 유효 사거리는 먼지의 속도에 비례하지만, 표적의 가속력에는 0.5제곱만큼 반비례함. 또, 2배의 가속도는 4배의 연료를 소모하고, 연료량 또한 무게를 증가하는 요인이므로 우주선은 더 많은 연료와 추력을 요구받게됨.
먼지의 속력이 빨라질수록 유효 사거리는 점점 늘어남.
작은 먼지들은 운동 에너지를 표적의 장갑에 전달해서 플라즈마 폭발https://www.nasa.gov/multimedia/imagegallery/image_feature_361.html
을 일으켜서 장갑에 크레이터가 생김. 크레이터의 부피는 대략 운동 에너지를 물체의 항복 강도의 세 배로 나눈 것으로
http://www.rand.org/content/dam/rand/pubs/research_memoranda/2006/RM3490.pdf 어림하면(정확하지 않음) 됨. 흑연같은 경우 운동 에너지를 2.4*10^8J/m^3 으로 나누면 됨. 흑연을 기화시키기 위해서는 이보다 500배 많은 에너지가 필요하고, 이는 먼지 질량빔은 레이저나 입자빔보다 500배 더 효율적이라는 뜻임.
탄소섬유같은 강한 물질은 5배 적은 에너지를 요구하지만, 이는 여전히 파괴적인 수치임.
100MW의 먼지 질량빔은 0.41m^3의 흑연이나 0.03m^3의 탄소 섬유를 매 초 마다 굴착할 수 있음. 만약 먼지 입자들을 핵분열을 일으키게 해서 100배의 에너지를 준다면 40m^3, 3m^3이 될 것임. 관통력은 먼지들이 어느 정도의 분산도로 충돌하느냐에 따라 달라질 것임. 만약 1m 지름의 원 안이라면 관통력은 흑연일 때 51m/s 일 것이고 위에서 본 예제처럼 5m 반지름의 물체에 10% 확률로 명중할 때에는 흑연일 경우 5cm/s, 탄소섬유의 경우 0.38cm/s 임.
작은 물체가 빠른 속도로 날아올 경우 효과적인 장갑인 whipple shield라는 게 있음. 위에서도 말했듯이 먼지가 물체를 파괴할 수 있는 질량은 작지만, 한 번의 충돌 만으로도 whipple shield가 파괴되면서 관통하는 입자의 양은 수천 배 증가함.
한 개의 먼지가 들어오는 건 whipple shield를 한 층 늘리는 것보다 훨씬 쉬움.
먼지 가속기의 공격 능력은 핵분열이나 핵융합 물질을 내부에 탑재했을 때 극대화됨. 먼지 가속기는 소비한 에너지보다 더 많은 에너지를 표적에 방출할 수 있음. 1MW 먼지 가속기는 1MW 레이저나 입자빔보다 무거울 수도 있고 부피가 클 수도 있지만, 목표물에서의 출력은 100배에서 1000배까지 증가할 수 있음.
먼지를 탐지하는 것 또한 매우 어려울 것임. 크기가 작고 표면적이 넓기 때문에 배경 복사와 구분이 어렵고 라이다조차 제대로 반응할 수 없음. 짧은 파장의 라이다를 사용한다면 탐지할 수도 있겠지만, 해상도가 심각하게 제한될 것임.(파장이 짧은데 왜 해상도인지 모르겠음 거리 아닌가?) 만약 탐지했다 해도 격추하기 어려움. 레이저로도 몇 초밖에 대응할 수 없고, 먼지들은 표면적이 넓기 때문에 쉽게 가열되지도 않음.
예를 들어보자면 마이크로미터 크기의 탄소 섬유는 58MW/m^2에서 살아남을 수 있고 마이크로미터 지름 센티미터 길이 탄소섬유 바늘은 579GW/m^2에서 살아남을 수 있음. 레이저가 아무리 강력해도 먼지들은 레이저를 뚫고 들어올 수도 있다는 것임.
SDI 시대에 이미 우주 방어용 먼지 가속기가 연구된 적 있음.
번역 출처:
의역이나 오역 있을 수 있고 몇몇 난잡한 문장은 빠졌을 수도 있음.
먼지, 미세 입자의 원 표현은 Macron임(https://ntrs.nasa.gov/citations/20180004500)
근데 이 키워드로 검색을 해 보니까 프랑스 대통령 때문에 묻혀서 안나옴.
-우주비행 갤러리
해상도가 분해능을 말하는건가? 분해능 공식이 (전파 속도)*(펄스 폭)/2 라는데 그럼 파장 짧아지면 분해능 떨어지는게 맞는거 아님?
근데 먼지 가속이 생각보다 성능도 좋고 활용처도 다양하네
옛날글이라 댓글늦게봄 저때 아직 전역 안해서 정줄놓고 번역하다 실수함 긴 파장의 라이다로는 탐지 자체가 불가능하고 짧은 파장의 라이다로도 분해능이 부족해서 정확한 위치를 알 수 없다 라고 보면 됨
ㅇㅎ..그런거였구나
일단 효율이 레이저 세일하고는 비교가 안될정도로 높기도 하고 논문 찾아보니까 이쪽 연구하는사람 꽤 있는것같더라
이런거 재밌다 ㄱㅅㄱㅅ