2018年2月24日土曜日

70 Energy #SpaceTravel

70 Energy #SpaceTravel

70-1 Comparison
・4.0*10^-19 J  The mass of a electron neutrino [1]
・1.5*10^-8 J   The mass of a proton [2]
・2.0 * 10 ^ -8 J  The mass of a Higgs particle [3]
・10^0(Ten to zero power)=1J(joule) The potential energy of the apple (102 g) of one meter height at the surface of the Earth. [4]
・1.67*10^6 J/day Energy consumption of the human brain
・1.9*10^11J  Kinetic energy to escape objects of 1kg mass from the solar system [4]
・2.5*10^17J  Nuclear energy of the largest explosion in human history (Tsar Bomba, 1961) [4]

70-2 Dyson sphere [4]
○First proposed by theoretical physicist Freeman Dyson in 1960.
○A Dyson sphere is a hypothetical megastructure that completely encompasses a star and captures most or all of its power output. 
○One theory for an advanced alien race is that they might harness the power of an entire star.
○In addition, it is possible to know the direction of technology development.
○KIC 8462852, located 1,480 light-years away, has produced a series of bizarre light fluctuations researchers cannot explain, so this looks like a Dyson sphere.[5] [6] [7]
○The SETI Institute's initial radio reconnaissance of KIC 8462852, however, found no evidence of technology-related radio signals from the star. [8]
ダイソン球.png
※Image of a Dyson sphere [5]

70-3 Kardashev scale:Civilization's level based on the amount of energy [9]
○In 1964, Kardashev defined three levels of civilizations, based on the order of magnitude of power available to them:
Type I  Technological level close to the level presently attained on earth
≒4.0*10^12 J/s
Type II  A civilization capable of harnessing the energy radiated by its own star
≒4.0*10^26 J/s
Type III  A civilization in possession of energy on the scale of its own galaxy
≒4.0*10^37 J/s

○Michael Garrett concluded that Kardashev Type-III civilisations are either very rare or do not exist in the local Universe.( Aug 2015)

○Reaching period 
Type I   100~200years
Type II   a few thousand years 
Type III  100,000 to a million years 

70-4 Space Solar Power Systems:SSPS 
○The goal time of commercialization of JAXA is 2030.

○Element technology [10]
1) collecting solar energy in space with reflectors or inflatable mirrors onto solar cells 
2) wireless power transmission to Earth via microwave or laser
※However, laser is affected by the weather.
3) receiving power on Earth via a rectenna, a microwave antenna
※Receiving station is installed on the sea or the like.

○Cost
・In the case of facilities of 1 million kw(1 nuclear power plant) [11]
Transportation costs:50 billin$
Construction costs :13~20 billin$
Running costa :3.4 billin$/yr

※The solar panels is 2km square.
※It is necessary to lower transportation costs to 1/50.
※Construction costs of 1 nuclear power plant is the billions of dollars, but, in the case of Japan, the final disposal site is not.
宇宙太陽光発電.png

○Relation
・Solar Sail ⇔No.65-5 A Plan to Build Interstellar Spacecraft

【Refernces】
1. Neutrino - Wikipedia
2. Higgs boson - Wikipedia 
3. Proton - Wikipedia
4. Dyson sphere - Wikipedia
5. MARK PRIGG FOR DAILYMAIL.COM(October 2015)
http://www.dailymail.co.uk/sciencetech/article-3271546/Have-researchers-alien-MEGASTRUCTURE-Researchers-reveal-bizarre-star-say-huge-unknown-object-blocking-light.html
6. No.96 Communication with the Alien
7. Maddie Stone” The So-Called Alien Megastructure Just Got Even More Mysterious”at GIZMODO 20160805
http://gizmodo.com/the-so-called-alien-megastructure-just-got-even-more-my-1784883811
8. KIC 8462852 - Wikipedia 
9. Kardashev scale - Wikipedia
10. Space based solar power - Wikipedia
11. 産経ニュース”「馬鹿げた計画」酷評「宇宙太陽光発電」 NASAが手を引いても開発続ける「技術立国日本」の意地” 2015
http://www.sankei.com/premium/news/150327/prm1503270001-n3.html

70 エネルギー #宇宙旅行

70 エネルギー #宇宙旅行

70-1 比較
・電子ニュートリノの質量:4.0*10^-19 J [1]
・陽子の質量:1.5*10^-8 J [2]
・ヒッグス粒子の質量:2.0*10^-8 J [3]
・地球表面で地表から1メートルの高さにあるリンゴ (102 g) が持つ位置エネルギー:1 J [4]
・脳の消費エネルギー:1.67*10^6 J/日
・質量1kgの物体が太陽系から脱出するために必要な運動エネルギー:1.9*10^11 J [4]
・人類史上最大の核兵器が爆発したときに発したエネルギー(ツァーリ・ボンバ、1961年):2.5*10^17 J [4]

70-2 ダイソン球:星のエネルギー利用 [4]
○アメリカの宇宙物理学者、フリーマン・ダイソンが1960年提唱した。
○恒星を卵の殻のように覆い、そのエネルギーのほとんどを利用する仮説上の人工構造物。
○ダイソン球を発見すれば、高度な文明を持つ宇宙人が存在することを確認できる。
○また、技術開発の方向を知ることが出来る。
○地球から1,480 光年離れた恒星KIC 8462852は、不自然な赤外線を発していることから、ダイソン球である可能性がある。[5][6] [7]
○なお、SETIの科学者がアレン・テレスコープ・アレイで1-10GHzの電波を調べたものの、人工的な信号を見出すことはできなかった。[8]

ダイソン球.png
※ダイソン球のイメージ[5]

70-3 エネルギーの利用レベル:カルダシェフ・スケール[8][9]
○ニコライ・カルダシェフは、高度に発達した宇宙文明を3つの段階に分けている。
第1段階 一つの惑星上で得られる全エネルギーを利用する文明≒4.0*10^12 J/s
第2段階 一つの恒星系で得られる全エネルギーを利用する文明≒4.0*10^26 J/s
第3段階 一つの銀河系で得られる全エネルギーを利用する文明≒4.0*10^37 J/s

○マイケル・ギャレットは、中赤外による地球外文明探索の結果、第3段階の文明は非常にまれか、存在しないと報告している。(2015年8月) [9]

○到達期間 [8]
第1段階 100~200年
第2段階 数千年
第3段階 10万~100万年

70-4 宇宙太陽光発電システム(SSPS:Space Solar Power Systems)[11]
○JAXAは2030年の商用化を目標にしている。

○要素技術
・宇宙空間に太陽光パネルを展開し、マイクロ波もしくはレーザーにより地上に送る。
 ※ただし、レーザーの場合は天候の影響を受ける。
※受信局は海上等に設置。

○コスト
・100万kw(原発1基分)の施設(2030年設置)の場合[11]
輸送費:5兆円
建設費:1.3~2兆円
維持管理費:340億円/年

※太陽光パネルは2km四方。
※発電コスト8円/kwhを達成するためには輸送費を今の50分の1にまで下げる必要がある。
※原発1基の建設費は数千億円だが、日本の場合、最終処分場はない。

宇宙太陽光発電.png

○関連
・ソーラーセイル⇔No.65-5 恒星探査計画

【参 考】
1. ニュートリノ - Wikipedia 
2.ヒッグス粒子 - Wikipedia 
3.陽子 - Wikipedia 
4.ダイソン球 - Wikipedia 
5.MARK PRIGG FOR DAILYMAIL.COM(October 2015)
http://www.dailymail.co.uk/sciencetech/article-3271546/Have-researchers-alien-MEGASTRUCTURE-Researchers-reveal-bizarre-star-say-huge-unknown-object-blocking-light.html
6.No.96 宇宙人との交信
7.KIC8462852 - Wikipedia
8.“あのダイソン球と騒がれた星の謎がまた復活”at GIZMODO
http://www.gizmodo.jp/2016/08/kic-8462852-got-more-mysterious.html
9.Kardashev scale - Wikipedia
10. 宇宙太陽光発電 - Wikipedia 
11.産経ニュース”「馬鹿げた計画」酷評「宇宙太陽光発電」 NASAが手を引いても開発続ける「技術立国日本」の意地”2015年3月
http://www.sankei.com/premium/news/150327/prm1503270001-n3.html

69 The Cost of Space Travel #SpaceTravel

69 The Cost of Space Travel #SpaceTravel

○Cargo [1]・・・< >:Success rate(%)
・Falcon(SpaceX/USA)    1.6 billion$/t<79.2>
・Proton(ILS/RUS)      1.7 billion$/t<88.2>
・H2B(Mitsubishi Heavy Industries/JPN) 1.8 billion$/t<100> [2]
・H2A(Mitsubishi Heavy Industries/JPN) 2.1 billion$/t<96.7> [3]
・Ariane( Arianespace/EU)        2.1 billion$/t<95.2>

○Passenger
・Round trip of astronauts to the ISS by Soyuz  70.7million$(2013) [4] 
・The cost of current space travel(4 minutes)  18 million$ [5]

【References】
1. Yomiuri Shimbun November 25, 2015
2. H-IIB - Wikipedia
3. H-IIAロケット - Wikipedia 
4. 日経ビジネス online-Shinya Mtsuura
http://business.nikkeibp.co.jp/article/tech/20140522/265187/?P=2
5. Stuart Clark” Virgin Galactic tests new spaceplane”at theguardian.com 20161208

https://www.theguardian.com/science/2016/dec/08/virgin-galactic-tests-new-spaceplane-spacewatch

69 宇宙旅行のコスト #宇宙旅行

69 宇宙旅行のコスト #宇宙旅行

○貨物 [1]・・・< >:成功率(%)
・ファルコン(スペースX/米国)   16億円/t<79.2>
・プロトン(ILS/ロシア)     17億円/t<88.2>
・H2B(三菱重工業/日本)     18億円/t<100> [2]
・H2A(三菱重工業/日本)     21億円/t<96.7> [3]
・アリアン(アリアンスペース/欧州) 21億円/t<95.2>

○旅客
・ソユーズによるISSへの往復  85億円(2013) [4] 
・4分間の宇宙旅行(訓練含む)  25万米ドル [5]

【参 照】
1. 読売新聞 2015年11月25日 
2. H-IIBロケット - Wikipedia 
3. H-IIAロケット - Wikipedia 
4. 松浦 晋也”ウクライナで“困った”。米ロの宇宙での共依存“at 日経ビジネス online
http://business.nikkeibp.co.jp/article/tech/20140522/265187/?P=2
5. 宇宙旅行の御案内 クラブツーリズム(ヴァージンギャラクティック社 日本地区公式代理店)

http://www.club-t.com/space/main.htm

68 Artificial Gravity #SpaceTravel

68 Artificial Gravity #SpaceTravel

○Almost people can live comfortably under the rotation of the spacecraft (more than 500m radius) in less than 1round per minute. [1]

※Space colony Elysium [2]

○The time it takes to travel between them varies from six to eight months. [3]

※SpaceX plans to Mars[4]

○The trip takes around seven months; a bit longer than astronauts currently stay on the International Space Station. [3]
☆ Therefore, manned Mars exploration is somehow.

○ By the way, MIT has succeeded in the development of artificial gravity generator!(2015)[5]


【References】
1. Space Colonization - Wikipedia 
2. Annalee Newitz “Could you really have a space colony like the one in Elysium?”
http://io9.gizmodo.com/could-you-really-have-a-space-colony-like-the-one-in-el-1095171180
3. “How long does it take to travel to Mars?”at Mars One
http://www.mars-one.com/faq/mission-to-mars/how-long-does-it-take-to-travel-to-mars
4. Loren Grush”SpaceX plans to send a spacecraft to Mars as early as 2018”at THE VERGE 2016
http://www.theverge.com/2016/4/27/11514844/spacex-mars-mission-date-red-dragon-rocket-elon-musk
5. Jennifer Chu “Working out in artificial gravity”at MIT News 2015
http://news.mit.edu/2015/exercise-artificial-gravity-space-0702

68 人工重力 #宇宙旅行

68 人工重力 #宇宙旅行

○ほとんど全ての人々が半径500m以上で1分間に1回転以下で回転する宇宙船の中であれば、快適に生活できる。[1]

※スペースコロニー エリジウム [2]

○火星までは片道半年 [3]

※スペースX火星探査計画[4]

○人類の最長宇宙滞在期間は438日(1994年) [5]
☆従って、有人火星探査はなんとかなる。

○ちなみに、MITは人工重力発生装置の開発に成功した![6]

※人工重力発生装置(2015年)

【参 照】
1. スペースコロニー - Wikipedia
2.エリジウム / 格差社会と自己犠牲をテーマに分かりやすく。
http://ameblo.jp/narinari1st/entry-11618709745.html
3. 宇宙放射線による年間被ばく (09-01-06-04) - ATOMICA
http://www.rist.or.jp/atomica/data/dat_detail.php?Title_Key=09-01-06-04
4. “米スペースX、2018年の火星探査計画を発表”at NATIONAL GEOGRAPHIC 日本版
http://natgeo.nikkeibp.co.jp/atcl/news/16/b/042800033/
5. 宇宙飛行の記録一覧 - Wikipedia 
6. Jennifer Chu “Working out in artificial gravity”at MIT News 2015
http://news.mit.edu/2015/exercise-artificial-gravity-space-0702

2018年2月23日金曜日

67 Fusion Power #SpaceTravel

67 Fusion Power #SpaceTravel

67-1 ITER( International Thermonuclear Experimental Reactor) [1]
・The goal is to build a fusion power plant in 2040-2050.
・The ITER experimental design has been changed to 2020, one year later than originally planned, under the influence of in eastern earthquake. Aim to start full-scale operation in 2027 as planned. The total project cost is 2 trillion yen.
・In addition, experimental reactor completion of the 2020 has become difficult.

【Reference】
・The name is derived from iter (: Net, Road).
・Seven countries and Region (Japan, China, EU, India, Russia, South Korea, USA)are involved in the this plan.
・ITER construction site is in Cadarache, France.

※Tokamak :A tokamak is a device that uses a toroidal field (traveling around the torus in circles) and a poloidal field (traveling in circles orthogonal to the toroidal field). In a tokamak, the toroidal field is produced by electromagnets that surround the torus, and the poloidal field is the result of a toroidal electric current that flows inside the plasma. This current is induced inside the plasma with a second set of electromagnets. In this device, construction cost is cheap but plasma is unstable. [2]

67-2 Nuclear Fusion Reaction [3]
○The most-researched candidate for producing controlled thermonuclear fusion power is D-T fusion reaction. (D: deuterium, T: tritium) 

核融合反応ー2.png
○Deuterium is contained in large quantities in seawater.
○Tritium is breeded while irradiated with neutrons in lithium blanket surrounding the fusion reactor.

核融合反応ー1.png

67-3 Proton-proton chain reaction [4]
○The proton–proton chain reaction is one of the two (known) sets of fusion reactions by which stars convert hydrogen to helium. It dominates in stars the size of the Sun or smaller.
○Plasma(atomic nuclei and electrons become apart) is confined by gravity.

Individual reaction
P-P反応ー1.png

Total
P-P反応ー2.png
・ν is e-neutrino, γ is gamma ray.
・(1-1) occurs at a rate of99.75%( (1-2) :0.25%).

67-4 Merit and Demerit
○Merit : Nuclear fusion reaction is stopped automatically with a little adjustment mistake.
○Demerit:Radioactive waste of the same level as nuclear power plant.

67-5 Cold Fusion [5]
○The research is continuing.

67-6 News
○The Wendelstein 7-X fusion device(W7-X)(Stellarator)at Max Planck Institute for Plasma Physics (IPP) in Greifswald produced its first hydrogen plasma on 3 February 2016. 
・Successive extensions are planned until, in about 4 years, discharges lasting 30 minutes.
The practical application of nuclear fusion is expected of around 2025. [6]

・Germany has forged ahead in funding the project, which in the past 20 years has cost €1.06bn.

※Stellarator [7](Helical Device):A stellarator is a device used to confine hot plasma with magnetic fields in order to sustain a controlled nuclear fusion reaction.
The name refers to the possibility of harnessing the power source of the sun, a stellar object.

ヘリカル型.png
※ The diameter of the W7-X is 10m. [7]

○A small, modular, efficient fusion plant (Tokamak)
New design could finally help to bring the long-sought power source closer to reality.
 August 10, 2015  MIT News [8]

核融合炉.png
Illustration courtesy of the MIT ARC team [8]

【References】
1. ITER 
https://www.iter.org/
2. Tokamak - Wikipedia
3. Fusion power - Wikipedia
4. Proton-proton chain reaction - Wikipedia
5. Cold Fusion - Wikipedia
6. IPP:Max-Planck-Institut für Plasmaphysik
http://www.ipp.mpg.de/4010154/02_16
7. Stellarator - Wikipedia
8. MIT News
http://news.mit.edu/2015/small-modular-efficient-fusion-plant-0810

67 核融合発電 #宇宙旅行

67 核融合発電 #宇宙旅行

67-1 国際的な核融合実験炉(ITER(イーターと読む))[1]
○2040~2050年に核融合発電所を建設することを目標としている。
○ITERの実験開始は、東日本大震災で超伝導コイルの性能を試験する茨城県那珂市の研究所が被災した影響で当初計画より1年遅れ、2020年になった。本格運転は予定通り27年開始をめざす。総事業費は2兆円。
○なお、20年の実験炉完成が難しくなった。
・名称は、iter(羅:道)に由来する。
・7つの国と地域(EU、インド、日本、中国、ロシア、韓国、アメリカ合衆国)がITE計画に関わっている。
・ITERの建設地はフランス・カダラッシュ。

※トカマク型:トロイダル(Toroidal 円環状の)コイルを流れる電流とプラズマ中を流れるトロイダル電流によってプラズマの閉じこめ磁場を形成する。建設コストが安いがプラズマが不安定。[2]

67-2 核融合反応 [3]
○トカマク型(ITER)、ステラレーター型(ヘリカル型)で採用されているのはD-T反応。(D:重水素、T:トリチウム(三重水素))

核融合反応ー2.png
○重水素は海水に大量に含まれる。
○トリチウムは、核融合炉の周囲をリチウムブランケットで囲み、炉から放出される高速中性子を減速させつつ得る。

核融合反応ー1.png

67-3 太陽の核融合反応とどう違う?[4]
○太陽と同程度かそれより質量の小さい恒星でのエネルギー生成の大半を担っているのは陽子-陽子連鎖反応(proton-proton chain reaction)。
○原子核と電子がバラバラになったプラズマは、重力によって閉じ込められている。

各反応
P-P反応ー1.png

合計
P-P反応ー2.png
・νは電子ニュートリノ、γはガンマ線である。
・ (1-1) は99.75%, (1-2) は0.25%の割合で生じる。

67-4 核融合の利点と欠点 [3]
○利点:少しの調整ミスで自動的に核融合反応が停止する。

○欠点:原発と同程度の放射性廃棄物。

67-5 常温核融合 [5]
○「金属水素間新規熱反応の現象解析と制御技術」というテーマで研究が継続されている。

67-6 ニュース
○ドイツのマックス・プランク研究所の核融合炉「ヴェンデルシュタイン 7-X」(W7-X)(ステラレーター型)で水素プラズマの生成に成功(20160203)。[6] [7]
・これから4年かけて、プラズマの持続時間を30分に伸ばし、20メガワットの出力を出すことが計画されている。
・核融合の実用化は2025年ごろ
・ドイツはこれまでの20年間に、核融合の研究に10億6000万ユーロ(約1386億円)を投じている。

※ステラレーター型(ヘリカル型):ヘリカル(らせん)型の周回コイルに電流を流し、閉じ込め磁場を形成する。[8] 
・高レベル放射性廃棄物が出ない。(低レベルの放射化物はできるが、リサイクル可能)

ヘリカル型.png
※W7-Xの直径は10m。[9]

○2015年8月 MIT(アメリカ・マサチューセッツ工科大学)が小型核融合炉技術(トカマク型)を開発。2025年までに核融合炉の開発が可能に。[10]

核融合炉.png
Illustration courtesy of the MIT ARC team [10]

【参 考】
1. ITER - Wikipedia
2. トカマク型 - Wikipedia 
3. 核融合炉 - Wikipedia 
4. 陽子-陽子連鎖反応(proton-proton chain reaction)- Wikipedia 
5. Wikipedia - 常温核融合 
6. IPP:Max-Planck-Institut für Plasmaphysik
http://www.ipp.mpg.de/4010154/02_16
7. ヴェンデルシュタイン 7-X - Wikipedia
8. ヘリカル型 - Wikipedia 
9. Stellarator - Wikipedia
10. MIT News
http://news.mit.edu/2015/small-modular-efficient-fusion-plant-0810