Interstellare Reise

Raketenkonzepte >

Alle Raketenkonzepte sind durch die Raketengleichung begrenzt, die die charakteristische Geschwindigkeit als Funktion der Abgasgeschwindigkeit und des Massenverhältnisses, des Verhältnisses von anfänglicher (M0, einschließlich Kraftstoff) zur endgültigen (M1, verbrauchter Kraftstoff) Masse, festlegt.

Eine sehr hohe spezifische Leistung, das Verhältnis von Schub zu Gesamtmasse des Fahrzeugs, ist erforderlich, um interstellare Ziele innerhalb von Zeiträumen unter 100 Jahren zu erreichen. Eine gewisse Wärmeübertragung ist unvermeidlich und eine enorme Heizlast muss angemessen gehandhabt werden.,

Daher ist für interstellare Raketenkonzepte aller Technologien ein (selten explizit diskutiertes) technisches Schlüsselproblem die Begrenzung der Wärmeübertragung vom Abgasstrom zurück in das Fahrzeug.

Ionen Motoredit

EINE art von elektrischen antrieb, raumfahrzeuge wie Dawn verwenden eine ionen motor. In einem Ionenmotor wird elektrische Energie verwendet, um geladene Partikel des Treibmittels, normalerweise das Gas Xenon, zu erzeugen und sie auf extrem hohe Geschwindigkeiten zu beschleunigen., Die Abgasgeschwindigkeit herkömmlicher Raketen wird durch die chemische Energie begrenzt, die in den molekularen Bindungen des Kraftstoffs gespeichert ist, was den Schub auf etwa 5 km/s begrenzt. Sie erzeugen einen hohen Schub (etwa 10⁶ N), aber sie haben einen niedrigen spezifischen Impuls, und das begrenzt ihre Höchstgeschwindigkeit. Im Gegensatz dazu haben Ionentriebwerke eine geringe Kraft, aber die Höchstgeschwindigkeit ist im Prinzip nur durch die elektrische Leistung begrenzt, die auf dem Raumfahrzeug und auf den beschleunigten Gasionen verfügbar ist. Die Abgasgeschwindigkeit der geladenen Teilchen reicht von 15 km/s bis 35 km / s.,

Kernspaltung poweredEdit

der Kernspaltung-electricEdit

Nuklear-Elektro-oder plasma-Motoren, die für längere Zeit bei niedrigem Schub und angetrieben durch Kernspaltung Reaktoren, die das Potenzial haben, zu erreichen Geschwindigkeiten viel größer als herkömmlich betriebene Fahrzeuge oder nuklear-thermische Raketen. Solche Fahrzeuge haben wahrscheinlich das Potenzial, die Exploration von Sonnensystemen mit angemessenen Fahrzeiten innerhalb des aktuellen Jahrhunderts mit Strom zu versorgen. Aufgrund ihres Antriebs mit niedrigem Schub wären sie auf den Betrieb außerhalb des Planeten im Weltraum beschränkt., Elektrisch angetriebener Raumfahrzeugantrieb, der von einer tragbaren Stromquelle angetrieben wird, z. B. einem Kernreaktor, der nur kleine Beschleunigungen erzeugt, würde Jahrhunderte dauern, um beispielsweise 15% der Lichtgeschwindigkeit zu erreichen, was für den interstellaren Flug während eines einzigen menschlichen Lebens ungeeignet ist.

Spaltfragmentedit

Spaltfragmentraketen verwenden Kernspaltung, um Hochgeschwindigkeitsstrahlen von Spaltfragmenten zu erzeugen, die mit Geschwindigkeiten von bis zu 12.000 km/s (7.500 mi/s) ausgeworfen werden. Bei der Spaltung beträgt die Energieabgabe ungefähr 0.,1% der Gesamtmasse-Energie des Reaktorbrennstoffs und begrenzt die effektive Abgasgeschwindigkeit auf etwa 5% der Lichtgeschwindigkeit. Für maximale Geschwindigkeit sollte die Reaktionsmasse optimal aus Spaltprodukten bestehen, der „Asche“ der Primärenergiequelle, so dass keine zusätzliche Reaktionsmasse im Massenverhältnis bookkept werden muss.

Nuclear pulseEdit

Basierend auf Arbeiten in den späten 1950er bis frühen 1960er Jahren war es technisch möglich, Raumschiffe mit nuklearen Impulsantriebsmotoren zu bauen, d. H. Angetrieben durch eine Reihe von nuklearen Explosionen. Dieses Antriebssystem enthält die Aussicht auf einen sehr hohen spezifischen Impuls (entspricht dem Kraftstoffverbrauch der Raumfahrt) und eine hohe spezifische Leistung.

Das Teammitglied des Projekts Orion, Freeman Dyson, schlug 1968 ein interstellares Raumschiff vor, das einen nuklearen Impulsantrieb verwendete, der reine Deuteriumfusionsdetonationen mit einer sehr hohen Brennstoffverbrennungsfraktion verwendete., Er berechnete eine Abgasgeschwindigkeit von 15.000 km/s und ein 100.000 Tonnen schweres Raumfahrzeug, das in der Lage war, ein 20,000 km / s Delta-v zu erreichen, das eine Flugzeit zu Alpha Centauri von 130 Jahren ermöglichte. Spätere Studien zeigen, dass die Höchstgeschwindigkeit, die theoretisch von einem Teller-Ulam-Thermonukleargerät mit Orion-Raumschiff erreicht werden kann, unter der Annahme, dass kein Kraftstoff für die Verlangsamung eingespart wird, etwa 8% bis 10% der Lichtgeschwindigkeit beträgt (0,08-0,1 c). Eine atomare (Spaltung) Orion kann vielleicht 3% -5% der Lichtgeschwindigkeit erreichen., Ein Raumschiff mit Kernpulsantrieb, das von fusions-Antimaterie-katalysierten Kernpulsantriebseinheiten angetrieben wird, wäre ähnlich im 10%-Bereich und reine Materie-Antimaterie-Vernichtungsraketen wären theoretisch in der Lage, eine Geschwindigkeit zwischen 50% und 80% der Lichtgeschwindigkeit zu erreichen. In jedem Fall spart Kraftstoff für die Verlangsamung der Hälfte der Höchstgeschwindigkeit. Das Konzept, ein magnetisches Segel zu verwenden, um das Raumschiff zu verlangsamen, wenn es sich seinem Ziel nähert, wurde als Alternative zur Verwendung von Treibmittel diskutiert, wodurch das Schiff in der Nähe der maximalen theoretischen Geschwindigkeit fahren könnte., Alternative Designs, die ähnliche Prinzipien verwenden, umfassen Project Longshot, Project Daedalus und Mini-Mag Orion. Das Prinzip des externen nuklearen Impulsantriebs zur Maximierung der überlebensfähigen Leistung ist bei seriösen Konzepten für den interstellaren Flug ohne externe Strombeleuchtung und für den sehr leistungsstarken interplanetaren Flug üblich geblieben.,

In den 1970er Jahren wurde das Konzept des nuklearen Impulsantriebs durch das Projekt Daedalus unter Verwendung der extern ausgelösten Trägheitsfusion weiter verfeinert, wobei Fusionsexplosionen durch Komprimieren von Fusionsbrennstoffpellets mit Hochleistungselektronenstrahlen erzeugt wurden. Seitdem wurden Laser, Ionenstrahlen, neutrale Teilchenstrahlen und hyperkinetische Projektile vorgeschlagen, um nukleare Impulse für Antriebszwecke zu erzeugen.,

Ein derzeitiges Hindernis für die Entwicklung von atomexplosionsgetriebenen Raumfahrzeugen ist der Teiltestverbot-Vertrag von 1963, der ein Verbot der Detonation von Nukleargeräten (auch nicht auf Waffen basierenden) im Weltraum beinhaltet. Dieser Vertrag müsste daher neu verhandelt werden, obwohl ein Projekt im Maßstab einer interstellaren Mission mit derzeit absehbarer Technologie wahrscheinlich eine internationale Zusammenarbeit zumindest im Maßstab der Internationalen Raumstation erfordern würde.,

Ein weiteres zu berücksichtigendes Problem wären die g-Kräfte, die einem schnell beschleunigten Raumfahrzeug, Fracht und Passagieren im Inneren übertragen werden (siehe Trägheitsnegation).

Kernfusionsraketenedit

Fusionsraketenschiffe, die durch Kernfusionsreaktionen angetrieben werden, sollten denkbar Geschwindigkeiten in der Größenordnung von 10% des Lichts erreichen können, allein aus energetischen Erwägungen. Theoretisch könnte eine große Anzahl von Stufen ein Fahrzeug beliebig nahe an die Lichtgeschwindigkeit schieben. Diese würden solche Leichtelementbrennstoffe wie Deuterium, Tritium, 3He, 11B und 7Li“ verbrennen“. Weil Fusion ungefähr 0 ergibt.,3-0, 9% der Masse des Kernbrennstoffs als freigesetzte Energie ist es energetisch günstiger als die Spaltung, die <0,1% der Massenenergie des Brennstoffs freisetzt. Die potentiell energetisch zur Verfügung stehenden maximalen Abgasgeschwindigkeiten sind entsprechend höher als bei der Spaltung, typischerweise 4-10% von c. Die am leichtesten erreichbaren Fusionsreaktionen setzen jedoch einen großen Teil ihrer Energie als energiereiche Neutronen frei, die eine erhebliche Energieverlustquelle darstellen., Obwohl diese Konzepte die besten (kurzfristigen) Aussichten für die Reise zu den nächsten Sternen innerhalb eines (langen) menschlichen Lebens zu bieten scheinen, sind sie dennoch mit massiven technologischen und technischen Schwierigkeiten verbunden, die sich über Jahrzehnte oder Jahrhunderte als unlösbar herausstellen können.

Frühe Studien umfassen das Projekt Daedalus, das 1973-1978 von der British Interplanetary Society durchgeführt wurde, und das Projekt Longshot, ein von der NASA und der US Naval Academy gefördertes Studentenprojekt, das 1988 abgeschlossen wurde., Ein weiteres ziemlich detailliertes Fahrzeugsystem, „Discovery II“, das für die Erforschung des Sonnensystems mit Besatzung entwickelt und optimiert wurde und auf der D3He-Reaktion basiert, jedoch Wasserstoff als Reaktionsmasse verwendet, wurde von einem Team des Glenn Research Center der NASA beschrieben. Es erreicht charakteristische Geschwindigkeiten von >300 km/s mit einer Beschleunigung von ~1,7•10-3 g, mit einer Schiffsanfangsmasse von ~1700 Tonnen und einem Nutzlastanteil von über 10%., Obwohl diese immer noch weit unter den Anforderungen für interstellares Reisen auf menschlichen Zeitskalen liegen, scheint die Studie einen vernünftigen Maßstab für das zu sein, was innerhalb mehrerer Jahrzehnte erreichbar sein könnte, was nicht unmöglich über den aktuellen Stand der Technik hinausgeht. Basierend auf der 2,2% igen Verbrennungsfraktion des Konzepts könnte es eine reine Fusionsproduktabgasgeschwindigkeit von ~3.000 km/s erreichen.

Antimatter rocketsEdit

Eine Antimaterie-Rakete hätte eine weitaus höhere Energiedichte und einen spezifischeren Impuls als jede andere vorgeschlagene Raketenklasse. Wenn sich herausstellt, dass Energieressourcen und effiziente Produktionsmethoden Antimaterie in den erforderlichen Mengen herstellen und sicher speichern, wäre es theoretisch möglich, Geschwindigkeiten von mehreren zehn Prozent Licht zu erreichen., Ob der Antimaterie-Antrieb zu höheren Geschwindigkeiten (>90% der Lichtgeschwindigkeit) führen könnte, bei denen eine relativistische Zeitdilatation deutlicher wird und somit die Zeit für die Reisenden langsamer vergeht, wie sie von einem externen Beobachter wahrgenommen wird, ist aufgrund der großen Menge an Antimaterie, die benötigt wird, zweifelhaft.

Spekulationen, dass die Produktion und Lagerung von Antimaterie machbar werden sollte, müssen zwei weitere Fragen in Betracht gezogen werden., Erstens geht bei der Vernichtung von Antimaterie ein großer Teil der Energie als hochenergetische Gammastrahlung und insbesondere auch als Neutrinos verloren, so dass nur etwa 40% von mc2 tatsächlich verfügbar wären, wenn die Antimaterie einfach thermisch in Strahlung vernichtet werden könnte. Trotzdem wäre die für den Antrieb verfügbare Energie wesentlich höher als die ~1% der mc2-Ausbeute der Kernfusion, der nächstbeste konkurrierende Kandidat.

Zweitens scheint die Wärmeübertragung vom Auspuff zum Fahrzeug enorme Energieverschwendung in das Schiff zu übertragen (z. B. für 0,1 g Schiffsbeschleunigung, Annäherung an 0.,3 billionen Watt pro Tonne Schiffsmasse), unter Berücksichtigung des großen Bruchteils der Energie, die in eindringende Gammastrahlen fließt. Selbst wenn eine Abschirmung vorgesehen war, um die Nutzlast (und die Passagiere eines Besatzungsfahrzeugs) zu schützen, würde ein Teil der Energie unweigerlich das Fahrzeug erwärmen und könnte sich dadurch als limitierender Faktor erweisen, wenn nützliche Beschleunigungen erreicht werden sollen.,

In jüngerer Zeit schlug Friedwardt Winterberg vor, dass eine Materie-Antimaterie-GeV-Gammastrahlenlaser-Photonenrakete durch eine relativistische Proton-Antiproton-Prise-Entladung möglich ist, bei der der Rückstoß aus dem Laserstrahl durch den Mössbauer-Effekt auf das Raumfahrzeug übertragen wird.

Raketen mit einer externen Energiequellees

Raketen, die ihre Energie aus externen Quellen wie einem Laser beziehen, könnten ihre interne Energiequelle durch einen Energiekollektor ersetzen, wodurch möglicherweise die Masse des Schiffes stark reduziert wird und viel höhere Fahrgeschwindigkeiten ermöglicht werden. Geoffrey A., Landis hat eine interstellare Sonde vorgeschlagen, deren Energie von einem externen Laser von einer Basisstation geliefert wird, die ein Ionenstrahlruder antreibt.

Nicht-Raketenkonzepte >

Ein Problem bei allen herkömmlichen Raketenantriebsmethoden besteht darin, dass das Raumfahrzeug seinen Treibstoff gemäß der Raketengleichung mit sich führen muss, wodurch es sehr massiv wird. Mehrere Konzepte versuchen, diesem Problem zu entkommen:

RF Resonant Cavity thrusterEdit

Ein Hochfrequenz (RF) Resonant Cavity Thruster ist ein Gerät, das behauptet wird, ein Raumschiff Thruster zu sein., Im Jahr 2016 berichtete das Advanced Propulsion Physics Laboratory der NASA, einen kleinen scheinbaren Schub aus einem solchen Test beobachtet zu haben, ein Ergebnis, das seitdem nicht mehr repliziert wurde. Eines der Designs heißt EmDrive. Im Dezember 2002 beschrieb Satellite Propulsion Research Ltd einen funktionierenden Prototyp mit einem angeblichen Gesamtschub von etwa 0,02 Newton, der von einem 850 W Hohlraummagnetron angetrieben wurde. Das Gerät konnte nur einige Dutzend Sekunden lang betrieben werden, bevor das Magnetron aufgrund von Überhitzung ausfiel. Der neueste Test auf dem EmDrive kam zu dem Schluss, dass es nicht funktioniert.,

Helical Engine Concept

Das 2019 vom NASA-Wissenschaftler Dr. David Burns vorgeschlagene Helical Engine-Konzept würde einen Teilchenbeschleuniger verwenden, um Partikel nahe der Lichtgeschwindigkeit zu beschleunigen. Da Partikel, die mit solchen Geschwindigkeiten reisen, mehr Masse erhalten, wird angenommen, dass diese Massenänderung eine Beschleunigung erzeugen könnte. Laut Burns könnte das Raumschiff theoretisch 99% der Lichtgeschwindigkeit erreichen.

Interstellar ramjetsEdit

1960, Robert W., Bussard schlug den Bussard Ramjet vor, eine Fusionsrakete, bei der eine riesige Schaufel den diffusen Wasserstoff im interstellaren Raum sammeln, mit einer Protonen–Protonen-Kettenreaktion im laufenden Betrieb „verbrennen“ und aus dem Rücken austreiben würde. Spätere Berechnungen mit genaueren Schätzungen deuten darauf hin, dass der erzeugte Schub geringer wäre als der Widerstand, der durch ein denkbares Schaufeldesign verursacht wird. Die Idee ist jedoch attraktiv, da der Kraftstoff unterwegs gesammelt wird (entsprechend dem Konzept der Energiegewinnung), sodass das Fahrzeug theoretisch auf nahe der Lichtgeschwindigkeit beschleunigen könnte., Die Einschränkung beruht auf der Tatsache, dass die Reaktion das Treibmittel nur auf 0,12 c beschleunigen kann. Somit wäre der Widerstand beim Auffangen von interstellarem Staub und der Schub, denselben Staub auf 0,12 c zu beschleunigen, gleich, wenn die Geschwindigkeit 0,12 c beträgt, wodurch eine weitere Beschleunigung verhindert wird.

Beamed propulsionEdit

Ein Lichtsegel oder Magnetsegel, das von einem massiven Laser-oder Teilchenbeschleuniger im Home Star-System angetrieben wird, könnte möglicherweise noch höhere Geschwindigkeiten erreichen als Raketen – oder Impulsantriebsmethoden, da es keine eigene Reaktionsmasse tragen müsste und daher nur die Nutzlast des Fahrzeugs beschleunigen müsste. Robert L. Forward schlug ein Mittel vor, um ein interstellares Lichtsegel von 30 Kilometern im Zielsternsystem zu verlangsamen, ohne dass ein Laserarray in diesem System vorhanden sein muss., In diesem Schema wird ein Sekundärsegel von 100 Kilometern zum Heck des Raumfahrzeugs eingesetzt, während das große Primärsegel vom Fahrzeug getrennt ist, um sich von selbst vorwärts zu bewegen. Das Licht wird vom großen Primärsegel zum Sekundärsegel reflektiert, wodurch das Sekundärsegel und die Nutzlast des Raumfahrzeugs verlangsamt werden. Im Jahr 2002 schlug Geoffrey A. Landis vom Glen Research Center der NASA auch ein lasergetriebenes Segelschiff vor, das ein Diamantsegel (mit einer Dicke von wenigen Nanometern) beherbergen würde, das mit Sonnenenergie betrieben wird., Mit diesem Vorschlag könnte dieses interstellare Schiff theoretisch 10 Prozent der Lichtgeschwindigkeit erreichen. Es wurde auch vorgeschlagen, einen strahlgetriebenen Antrieb zum Beschleunigen eines Raumfahrzeugs und einen elektromagnetischen Antrieb zum Verlangsamen eines Raumfahrzeugs zu verwenden.wodurch das Problem beseitigt wird, das der Bussard Ramjet mit dem beim Beschleunigen erzeugten Widerstand hat.,

Ein magnetisches Segel könnte auch an seinem Bestimmungsort abbremsen, ohne vom Treibstoff oder einem Fernlicht im Zielsystem abhängig zu sein, indem es mit dem Plasma interagiert, das im Sonnenwind des Zielsterns und des interstellaren Mediums gefunden wird.

Die folgende Tabelle listet einige Beispielkonzepte mit Strahllaserantrieb auf, wie sie vom Physiker Robert L. Forward vorgeschlagen wurden:

Interstellarer Reisekatalog zur Verwendung von Photogravitationsassistenten für einen vollständigen Stoppedit

Die folgende Tabelle basiert auf Arbeiten von Heller, Hippke und Kervella.,

• Aufeinanderfolgende Assists bei α Cen A und B könnten Fahrzeiten zu 75 yr zu beiden Sternen ermöglichen.
• Lightsail hat ein nominales Verhältnis von Masse zu Oberfläche (σnom) von 8,6×10-4 Gramm m-2 für ein nominales Segel der Graphenklasse.105 m2 = (316 m)2
• Geschwindigkeit bis 37.300 km s-1 (12,5% c)

Vorbeschleunigtes fuelEdit

Um interstellare Start-Stopp-Fahrzeiten von weniger als einer menschlichen Lebensdauer zu erreichen, sind Massenverhältnisse von 1.000 bis 1.000.000 erforderlich, selbst für die nahen Sterne. Dies könnte durch mehrstufige Fahrzeuge in großem Maßstab erreicht werden., Alternativ könnten große Linearbeschleuniger Treibstoff zu spaltgetriebenen Raumfahrzeugen treiben, wodurch die Grenzen der Raketengleichung vermieden werden.

Theoretische conceptsEdit

Schneller-als-Licht travelEdit

Wissenschaftler und Autoren haben eine Reihe von Möglichkeiten postuliert, wie es möglich sein könnte, die Lichtgeschwindigkeit zu übertreffen, aber selbst die ernstesten sind hoch spekulativ.

Es ist auch fraglich, ob ein schnelleres als leichtes Reisen physisch möglich ist, zum Teil aufgrund von Kausalitätsproblemen: Ein schnelleres Reisen als Licht kann unter bestimmten Bedingungen ein zeitliches Rückwärtsfahren im Rahmen einer besonderen Relativität ermöglichen., Vorgeschlagene Mechanismen für schneller-als-Licht-Reisen innerhalb der Theorie der allgemeinen Relativitätstheorie erfordern die Existenz exotischer Materie, und es ist nicht bekannt, ob dies in ausreichender Menge hergestellt werden könnte.,

Alcubierre driveEdit

In der Physik basiert der Alcubierre Drive auf einem Argument im Rahmen der allgemeinen Relativität und ohne die Einführung von Wurmlöchern, dass es möglich ist, die Raumzeit so zu ändern, dass ein Raumschiff mit einer beliebig großen Geschwindigkeit durch eine lokale Ausdehnung der Raumzeit hinter dem Raumschiff und eine entgegengesetzte Kontraktion davor reisen kann. Nichtsdestotrotz würde dieses Konzept erfordern, dass das Raumschiff eine Region exotischer Materie oder ein hypothetisches Konzept negativer Masse einbezieht.,

Artificial black holeEdit

Eine theoretische Idee zur Ermöglichung interstellarer Reisen besteht darin, ein Raumschiff anzutreiben, indem ein künstliches Schwarzes Loch erzeugt wird und ein Parabolreflektor verwendet wird, um seine Falkenstrahlung zu reflektieren. Obwohl ein Raumschiff mit Schwarzem Loch über die aktuellen technologischen Fähigkeiten hinausgeht, bietet es im Vergleich zu anderen möglichen Methoden einige Vorteile. Damit das Schwarze Loch als Stromquelle und Motor fungiert, ist auch eine Möglichkeit erforderlich, die Hawking-Strahlung in Energie und Schub umzuwandeln., Eine mögliche Methode besteht darin, das Loch im Mittelpunkt eines am Schiff befestigten Parabolreflektors zu platzieren und einen Vorwärtsschub zu erzeugen. Eine etwas einfachere, aber weniger effiziente Methode würde darin bestehen, einfach die gesamte Gammastrahlung zu absorbieren, die in Richtung des Schiffes geht, um sie weiterzuschieben, und den Rest den Rücken herausschießen zu lassen.

Wurmlöcher >

Wurmlöcher sind mutmaßliche Verzerrungen in der Raumzeit, die Theoretiker postulieren, könnten zwei beliebige Punkte im Universum über eine Einstein–Rosen-Brücke verbinden. Es ist nicht bekannt, ob Wurmlöcher in der Praxis möglich sind., Obwohl es Lösungen für die Einstein-Gleichung der allgemeinen Relativitätstheorie gibt, die Wurmlöcher zulassen, beinhalten alle derzeit bekannten Lösungen eine Annahme, zum Beispiel die Existenz negativer Masse, die unphysikalisch sein kann. Jedoch, Cramer et al. argumentieren Sie, dass solche Wurmlöcher im frühen Universum entstanden sein könnten, stabilisiert durch kosmische Stränge. Die allgemeine Theorie der Wurmlöcher wird von Visser in dem Buch Lorentzian Wormholes diskutiert.