raketconcepten edit
alle raketconcepten worden beperkt door de raketvergelijking, die de beschikbare karakteristieke snelheid bepaalt als functie van de uitlaatsnelheid en de massaverhouding, de verhouding tussen de begin – (M0, inclusief brandstof) en de eindmassa (M1, brandstofverarmde).
zeer hoog specifiek vermogen, de verhouding tussen stuwkracht en totale voertuigmassa, is vereist om interstellaire doelen binnen sub-eeuws tijdsbestek te bereiken. Enige warmteoverdracht is onvermijdelijk en een enorme verwarmingsbelasting moet adequaat worden behandeld.,
voor interstellaire raketconcepten van alle technologieën is een belangrijk technisch probleem (zelden expliciet besproken) het beperken van de warmteoverdracht van de uitlaatstroom naar het voertuig.
Ion motorHet
een type elektrische voortstuwing, ruimtevaartuigen zoals Dawn gebruiken een ion Motor. In een ionenmotor wordt elektrische energie gebruikt om geladen deeltjes van het drijfgas, meestal het gas xenon, te creëren en ze te versnellen tot extreem hoge snelheden., De uitlaatsnelheid van conventionele raketten wordt beperkt door de chemische energie opgeslagen in de moleculaire bindingen van de brandstof, die de stuwkracht beperkt tot ongeveer 5 km/s. ze produceren een hoge stuwkracht (ongeveer 10 N N), maar ze hebben een lage specifieke impuls, en dat beperkt hun topsnelheid. Ionenmotoren daarentegen hebben een lage kracht, maar de topsnelheid wordt in principe alleen beperkt door het elektrisch vermogen dat beschikbaar is op het ruimtevaartuig en op de gasionen die worden versneld. De uitlaatsnelheid van de geladen deeltjes varieert van 15 tot 35 km/s.,
kernsplijtingsenergie
Kernsplijtingsenergie
Kernelektrische of plasmamotoren, die gedurende lange perioden met lage stuwkracht werken en door kernsplijtingsreactoren worden aangedreven, kunnen snelheden bereiken die veel groter zijn dan Voertuigen met een chemisch vermogen of nucleaire thermische raketten. Dergelijke voertuigen hebben waarschijnlijk het potentieel om zonne-systeem exploratie met redelijke reistijden in de huidige eeuw. Vanwege hun lage stuwkracht, zouden ze beperkt blijven tot buiten de planeet, diep in de ruimte., Elektrisch aangedreven ruimtevaartuig voortstuwing aangedreven door een draagbare krachtbron, laten we zeggen een kernreactor, die slechts kleine versnellingen produceert, zou eeuwen duren om bijvoorbeeld 15% van de snelheid van het licht te bereiken, dus ongeschikt voor interstellaire vlucht tijdens een enkel menselijk leven.
Splijtingsfragmentedit
Splijtingsfragmentraketten maken gebruik van kernsplijting om hogesnelheidsstralen van splijtingsfragmenten te creëren, die worden uitgestoten met snelheden tot 12.000 km/s. Bij kernsplijting is de energie-output ongeveer 0.,1% van de totale massa-energie van de reactorbrandstof en beperkt de effectieve uitlaatsnelheid tot ongeveer 5% van de lichtsnelheid. Voor maximale snelheid moet de reactiemassa optimaal bestaan uit splijtingsproducten, de “as” van de primaire energiebron, zodat er geen extra reactiemassa in de massaverhouding hoeft te worden geboekt.
Nuclear pulseEdit
Modern Pulsed Fission Propulsion Concept.,op basis van het werk van eind jaren vijftig tot begin jaren zestig was het technisch mogelijk om ruimteschepen te bouwen met pulsaandrijvingsmotoren, dat wil zeggen aangedreven door een reeks nucleaire explosies. Dit voortstuwingssysteem bevat het vooruitzicht van een zeer hoge specifieke impuls (het equivalent van het brandstofverbruik in de ruimtevaart) en een hoog specifiek vermogen.Project Orion-teamlid Freeman Dyson stelde in 1968 een interstellair ruimtevaartuig voor dat gebruik maakte van nucleaire pulsaandrijving, dat gebruik maakte van pure deuterium fusiedetonaties met een zeer hoge brandstofverbrandingsfractie., Hij berekende een uitlaatsnelheid van 15.000 km / s en een ruimtevoertuig van 100.000 ton dat een delta-v van 20.000 km/s kon bereiken, wat een vliegtijd van 130 jaar naar Alpha Centauri mogelijk maakte. Latere studies geven aan dat de hoogste kruissnelheid die theoretisch kan worden bereikt door een teller-Ulam thermonucleaire eenheid aangedreven Orion sterrenschip, ervan uitgaande dat er geen brandstof wordt bespaard om terug te vertragen, is ongeveer 8% tot 10% van de snelheid van het licht (0,08-0,1 c). Een atomaire (kernsplijting) Orion kan misschien 3% -5% van de lichtsnelheid bereiken., Een nucleair pulsaandrijving sterrenschip aangedreven door fusie-antimaterie gekatalyseerde nucleaire pulsaandrijving eenheden zou op dezelfde manier in het bereik van 10% en pure materie-antimaterie annihilatie raketten zou theoretisch in staat zijn om een snelheid tussen 50% en 80% van de snelheid van het licht te verkrijgen. In elk geval bespaart brandstof voor het vertragen de maximale snelheid. Het concept van het gebruik van een magnetisch zeil om het ruimteschip te vertragen als het zijn bestemming nadert is besproken als een alternatief voor het gebruik van drijfgas, dit zou het schip in staat stellen om te reizen in de buurt van de maximale theoretische snelheid., Alternatieve ontwerpen met behulp van soortgelijke principes zijn Project Longshot, Project Daedalus, en Mini-Mag Orion. Het principe van externe nucleaire pulsaandrijving om de overlevingskracht te maximaliseren is gebruikelijk gebleven bij serieuze concepten voor interstellaire vlucht zonder externe krachtstraal en voor zeer krachtige interplanetaire vlucht.,
In de jaren zeventig werd het concept van de nucleaire Pulsaandrijving verder verfijnd door Project Daedalus door gebruik te maken van extern getriggerde traagheidsopsluiting fusie, waarbij in dit geval fusieexplosies werden veroorzaakt door het comprimeren van fusiebrandstofpellets met krachtige elektronenbundels. Sindsdien zijn lasers, ionenbundels, neutrale deeltjesbundels en hyper-kinetische projectielen voorgesteld om nucleaire pulsen te produceren voor voortstuwingsdoeleinden.,
een huidige belemmering voor de ontwikkeling van een ruimtevaartuig met kernexplosie is het Partial Test Ban Treaty uit 1963, dat een verbod op detonatie van alle nucleaire apparaten (zelfs niet op basis van wapens) in de ruimte omvat. Dit verdrag zou daarom opnieuw moeten worden besproken, hoewel een project op de schaal van een interstellaire missie met behulp van momenteel te verwachten technologie waarschijnlijk internationale samenwerking zou vereisen op ten minste de schaal van het Internationale Ruimtestation.,
een ander probleem dat moet worden overwogen, zijn de g-krachten die worden uitgeoefend op een snel versneld ruimtevaartuig, vracht en passagiers binnen (zie traagheid negatie).
Kernfusieraketsedit
Kernfusieraketsterschepen, aangedreven door kernfusiereacties, zouden, alleen op basis van energieoverwegingen, snelheden van ongeveer 10% van die van licht moeten kunnen bereiken. In theorie kan een groot aantal fasen een voertuig willekeurig dicht bij de lichtsnelheid duwen. Deze zouden brandstoffen met lichtelementen als deuterium, tritium, 3He, 11B en 7Li” verbranden”, omdat fusie ongeveer 0 oplevert.,3-0, 9% van de massa van de splijtstof als vrijgekomen energie is energetisch gunstiger dan splijting, waarbij <0,1% van de massa-energie van de splijtstof vrijkomt. De potentieel energetisch beschikbare maximale uitlaatsnelheden zijn overeenkomstig hoger dan bij kernsplijting, meestal 4-10% van c. de gemakkelijkst haalbare fusiereacties geven echter een groot deel van hun energie vrij als hoge-energetische neutronen, die een belangrijke bron van energieverlies zijn., Hoewel deze concepten de beste vooruitzichten lijken te bieden voor reizen naar de dichtstbijzijnde sterren binnen een (lang) menselijk leven, houden ze nog steeds enorme technologische en technische problemen in, die tientallen jaren of eeuwen lang hardnekkig kunnen blijken te zijn.
Daedalus interstellaire sonde.vroege studies omvatten Project Daedalus, uitgevoerd door de British Interplanetary Society in 1973-1978, en Project Longshot, een studentenproject gesponsord door NASA en de US Naval Academy, voltooid in 1988., Een ander vrij gedetailleerd voertuigsysteem, “Discovery II”, ontworpen en geoptimaliseerd voor verkenning van het zonnestelsel met bemanning, gebaseerd op de d3he-reactie maar met waterstof als reactiemassa, is beschreven door een team van het Glenn Research Center van NASA. Het bereikt karakteristieke snelheden van > 300 km / s met een acceleratie van ~ 1,7 * 10-3 g, met een beginmassa van ~1700 metrische ton, en een laadvermogen fractie van meer dan 10%., Hoewel deze nog ver achterblijven bij de vereisten voor interstellaire reizen op menselijke tijdschalen, lijkt de studie een redelijke benchmark te vormen voor wat binnen enkele decennia benaderbaar kan zijn, wat niet onmogelijk voorbij de huidige state-of-the-art is. Gebaseerd op de 2,2% versplijtingsfractie van het concept zou het een uitlaatsnelheid van zuiver fusieproduct kunnen bereiken van ~3.000 km/s.
Antimaterieraket
een antimaterieraket zou een veel hogere energiedichtheid en Specifieke impuls hebben dan elke andere voorgestelde klasse raket. Als energiebronnen en efficiënte productiemethoden worden gevonden om antimaterie te maken in de benodigde hoeveelheden en veilig op te slaan, zou het theoretisch mogelijk zijn om snelheden van enkele tientallen procent die van het licht te bereiken., Of de voortstuwing van antimaterie zou kunnen leiden tot de hogere snelheden (>90% die van licht) waarbij relativistische tijddilatatie meer merkbaar zou worden, waardoor de tijd langzamer zou verlopen voor de reizigers zoals waargenomen door een externe waarnemer, is twijfelachtig vanwege de grote hoeveelheid antimaterie die nodig zou zijn.in de veronderstelling dat de productie en opslag van antimaterie haalbaar zouden moeten worden, moeten nog twee andere kwesties worden overwogen., Ten eerste gaat bij de annihilatie van antimaterie veel van de energie verloren als hoog-energetische gammastraling, en vooral ook als neutrino ‘ s, zodat slechts ongeveer 40% van mc2 daadwerkelijk beschikbaar zou zijn als de antimaterie gewoon zou worden toegestaan om te vernietigen in straling thermisch. Toch zou de voor de voortstuwing beschikbare energie aanzienlijk hoger zijn dan de ~1% van de mc2 opbrengst van kernfusie, de op één na beste rivaliserende kandidaat.
ten tweede lijkt de warmteoverdracht van de uitlaat naar het voertuig enorme verspilde energie naar het schip over te brengen (bv. bij een scheepsacceleratie van 0,1 g bij een snelheid van bijna 0.,3 triljoen watt per ton scheepsmassa), gezien het grote deel van de energie dat gaat naar penetrerende gammastralen. Zelfs in de veronderstelling dat een Afscherming ter bescherming van het laadvermogen (en de passagiers van een bemand voertuig) is aangebracht, zou een deel van de energie onvermijdelijk het voertuig verwarmen en kan daardoor een beperkende factor blijken te zijn om nuttige acceleraties te bereiken.,meer recent stelde Friedwardt Winterberg voor dat een materie-antimaterie GeV gamma-ray laser fotonraket mogelijk is door een relativistische Proton-antiproton pinch-ontlading, waarbij de terugslag van de laserstraal wordt overgedragen door het Mössbauer-effect op het ruimtevaartuig.
raketten met een externe energiebron
raketten die hun vermogen uit externe bronnen, zoals een laser, halen, kunnen hun interne energiebron vervangen door een energiecollector, waardoor de massa van het schip aanzienlijk kan worden verminderd en veel hogere rijsnelheden mogelijk zijn. Geoffrey A., Landis heeft een interstellaire sonde voorgesteld, met energie geleverd door een externe laser van een basisstation die een ionenschroef aandrijft.
non-rocket conceptsEdit
een probleem met alle traditionele raketvoortstuwingsmethoden is dat het ruimtevaartuig zijn brandstof mee zou moeten nemen, waardoor het zeer massief zou worden, in overeenstemming met de raketvergelijking. Verschillende concepten proberen aan dit probleem te ontsnappen:
RF resonante holte thrusterdit
een Radio frequency (RF) resonante holte thruster is een apparaat waarvan wordt beweerd dat het een ruimteschip thruster is., In 2016 meldde het Advanced Propulsion Physics Laboratory van NASA dat een kleine schijnbare stuwkracht van een dergelijke test werd waargenomen, een resultaat dat sindsdien niet is gerepliceerd. Een van de ontwerpen heet EMDrive. In December 2002, Satellite Propulsion Research Ltd beschreef een werkend prototype met een vermeende totale stuwkracht van ongeveer 0,02 Newton aangedreven door een 850 W holte magnetron. Het apparaat kon slechts een paar dozijn seconden voordat de magnetron mislukt, als gevolg van oververhitting. De laatste test op de EMDrive concludeerde dat het niet werkt.,
spiraalvormige motorendit
voorgesteld in 2019 door NASA-wetenschapper Dr. David Burns, zou het spiraalvormige motorconcept een deeltjesversneller gebruiken om deeltjes te versnellen tot in de buurt van de lichtsnelheid. Omdat deeltjes die met zulke snelheden reizen meer massa krijgen, wordt aangenomen dat deze massaverandering versnelling kan veroorzaken. Volgens Burns kan het ruimteschip 99% van de lichtsnelheid bereiken.
interstellaire ramjetsEdit
in 1960, Robert W., Bussard stelde de Bussard ramjet voor, een fusieraket waarin een enorme schep de diffuse waterstof in de interstellaire ruimte zou verzamelen, het tijdens de vlucht zou” verbranden ” met behulp van een proton–proton kettingreactie, en het uit de achterkant zou verdrijven. Latere berekeningen met nauwkeurigere schattingen suggereren dat de voortgebrachte stuwkracht minder zou zijn dan de weerstand veroorzaakt door een denkbaar schepontwerp. Toch is het idee aantrekkelijk, omdat de brandstof zou worden verzameld en route (evenredig met het concept van energie-oogst), zodat het vaartuig theoretisch zou kunnen versnellen tot in de buurt van de snelheid van het licht., De beperking is te wijten aan het feit dat de reactie de stuwstof slechts tot 0,12 c kan versnellen. dus de weerstand van het opvangen van interstellair stof en de stuwkracht van het versnellen van hetzelfde stof tot 0,12 c zou hetzelfde zijn wanneer de snelheid 0,12 c is, waardoor verdere acceleratie wordt voorkomen.
gestraalde propulsiedit
dit diagram illustreert Robert L. Forward ‘ s schema voor het vertragen van een interstellair lichtzeil op de bestemming van het sterrenstelsel.,
een lichtzeil of magnetisch zeil dat wordt aangedreven door een massieve laser – of deeltjesversneller in het thuisstersysteem zou mogelijk nog hogere snelheden kunnen bereiken dan raket-of pulsvoortstuwingsmethoden, omdat het niet zijn eigen reactiemassa hoeft te dragen en daarom alleen de nuttige lading van het vaartuig hoeft te versnellen. Robert L. Forward stelde een middel voor om een interstellair lichtzeil van 30 kilometer in het doelstersysteem te vertragen zonder dat er een laser array in dat systeem aanwezig moest zijn., In deze regeling, een secundaire zeil van 100 kilometer wordt ingezet aan de achterzijde van het ruimtevaartuig, terwijl de grote primaire Zeil is losgemaakt van het vaartuig te blijven vooruit op zijn eigen. Licht wordt gereflecteerd van het grote primaire zeil naar het secundaire zeil, dat wordt gebruikt om het secundaire zeil en de lading van het ruimtevaartuig te vertragen. In 2002 stelde Geoffrey A. Landis van NASA ‘ s Glen Research center ook een laser-aangedreven zeilschip voor dat een diamantzeil (van een paar nanometer dik) zou bevatten, aangedreven met behulp van zonne-energie., Met dit voorstel zou dit interstellaire schip theoretisch 10% van de lichtsnelheid kunnen bereiken. Er is ook voorgesteld om gestraald aangedreven voortstuwing te gebruiken om een ruimtevaartuig te versnellen, en elektromagnetische voortstuwing om het te vertragen; dus, het elimineren van het probleem dat de Bussard ramjet heeft met de weerstand geproduceerd tijdens de acceleratie.,
een magnetisch zeil kan ook vertragen op zijn bestemming zonder afhankelijk te zijn van de vervoerde brandstof of een grootlicht in het bestemmingssysteem, door interactie met het plasma dat wordt aangetroffen in de zonnewind van de bestemmingsster en het interstellaire medium.
de volgende tabel geeft een overzicht van enkele voorbeeldconcepten die gebruik maken van straallaservoortstuwing zoals voorgesteld door de fysicus Robert L. Forward:
interstellaire reiscatalogus om fotogravitationele assisten te gebruiken voor een volledige stopEdit
de volgende tabel is gebaseerd op werk van Heller, Hippke en Kervella.,
- opeenvolgende assists bij α Cen A en B kunnen reistijden tot 75 jaar naar beide sterren mogelijk maken.
- Lichtzeil heeft een nominale massa-oppervlakteverhouding (σnom) van 8,6×10-4 gram m−2 voor een nominaal zeil van grafeenklasse.
- oppervlakte van het Lichtzeil, ongeveer 105 m2 = (316 m)2
- snelheid tot 37.300 km s−1 (12,5% C)
Pre-accelerated fuelEdit
Voor het bereiken van start-stop interstellaire reistijden van minder dan een mensenleven is een massaverhouding tussen 1.000 en 1.000.000 nodig, zelfs voor de nabije sterren. Dit zou kunnen worden bereikt door Voertuigen met meerdere fasen op grote schaal., Als alternatief zouden grote lineaire versnellers brandstof kunnen voortstuwen naar ruimtevoertuigen die door splijting worden aangedreven, waardoor de beperkingen van de Raketvergelijking worden vermeden.
theoretische conceptenedit
sneller-dan-licht reizen edit
artistieke afbeelding van een hypothetisch wormgat inductie aangedreven ruimtevaartuig, losjes gebaseerd op de 1994″ warp drive ” papier van Miguel Alcubierre.,
wetenschappers en auteurs hebben een aantal manieren gepostuleerd waarop het mogelijk zou zijn om de lichtsnelheid te overtreffen, maar zelfs de meest serieuze hiervan zijn zeer speculatief.
Het is ook discutabel of sneller reizen dan licht fysiek mogelijk is, deels vanwege causaliteitsoverwegingen: sneller reizen dan licht kan onder bepaalde omstandigheden in het kader van de speciale relativiteit terugreizen in de tijd mogelijk maken., Voorgestelde mechanismen voor sneller-dan-licht reizen binnen de theorie van de algemene relativiteitstheorie vereisen het bestaan van exotische materie en het is niet bekend of dit in voldoende hoeveelheid kan worden geproduceerd.,
Alcubierre driveEdit
in de natuurkunde is de Alcubierre drive gebaseerd op een argument, in het kader van de algemene relativiteit en zonder de introductie van wormgaten, dat het mogelijk is om de ruimtetijd zo te wijzigen dat een ruimteschip met een willekeurig grote snelheid kan reizen door een lokale expansie van de ruimtetijd achter het ruimteschip en een tegenovergestelde samentrekking ervoor. Niettemin zou dit concept vereisen dat het ruimteschip een gebied van exotische materie, of hypothetisch concept van negatieve massa op te nemen.,
kunstmatig zwart gatdit
een theoretisch idee om interstellair reizen mogelijk te maken is door het voortstuwen van een sterrenschip door het creëren van een kunstmatig zwart gat en het gebruik van een parabolische reflector om zijn Hawking straling weer te geven. Hoewel een zwart gat sterrenschip buiten de huidige technologische mogelijkheden, biedt een aantal voordelen in vergelijking met andere mogelijke methoden. Het krijgen van het zwarte gat om te fungeren als een krachtbron en motor vereist ook een manier om de Hawking straling om te zetten in energie en stuwkracht., Een mogelijke methode is het plaatsen van het gat op het brandpunt van een parabolische reflector bevestigd aan het schip, het creëren van voorwaartse stuwkracht. Een iets gemakkelijkere, maar minder efficiënte methode zou bestaan uit het absorberen van alle gammastraling die naar de voorkant van het schip gaat om het verder te duwen, en de rest uit de achterkant te laten schieten.
WormholesEdit
wormgaten zijn veronderstelde vervormingen in de ruimtetijd die theoretici postuleren twee willekeurige punten in het universum, over een Einstein–Rosen-brug. Het is niet bekend of wormgaten in de praktijk mogelijk zijn., Hoewel er oplossingen zijn voor de Einsteinvergelijking van de algemene relativiteitstheorie die wormgaten toelaten, houden alle momenteel bekende oplossingen een bepaalde aanname in, bijvoorbeeld het bestaan van negatieve massa, die onfysisch kan zijn. Echter, Cramer et al. beargumenteer dat dergelijke wormgaten in het vroege universum kunnen zijn gemaakt, gestabiliseerd door kosmische snaren. De algemene theorie van wormgaten wordt door Visser besproken in het boek Lorentzian Wormholes.