Fortschrittliche Antriebsdurchbrüche stehen kurz bevor. Raumfahrzeuge stecken seit Jahren bei langsamen chemischen Raketengeschwindigkeiten und seit Jahrzehnten bei schwachem Ionenantrieb fest. Geschwindigkeiten von über einer Million Meilen pro Stunde vor 2050 sind jedoch möglich. Es gibt überraschende Neuheiten mit technisch machbaren Projekten.
Das NASA Institute for Advanced Concepts (NIAC) finanziert zwei Konzepte mit hohem Potenzial. Neue Ionenlaufwerke könnten zehnmal besser in Bezug auf ISP und zehntausendmal höhere Leistungsstufen sein. Antimaterie-Antrieb und Multi-Megawatt-Ionenantriebe werden entwickelt.
Dies wurde von Brian Wang von Nextbigfuture geschrieben. Brian wird regelmäßig Gastartikel für Universe Today schreiben.
Antrieb und Geschwindigkeit im Weltraum
Welches sind die schnellsten Raumschiffe, die wir gebaut haben?
Die Raumsonde Voyager 1 bewegt sich mit 38.000 mph (61.000 km/h). Dies wurde meist mit einer chemischen Rakete, aber auch mit einer Gravitationsschleuder erreicht. Die Raumsonden Juno, Helios I und Helios II erreichten Geschwindigkeiten im Bereich von 150.000 Meilen pro Stunde unter Verwendung von Gravitationsboosts. Die kürzlich gestartete Parker Solar Probe wird 430.000 Meilen pro Stunde erreichen, indem sie die Schwerkraft der Sonne nutzt.
Die Gravitationsbeschleunigung kann die Geschwindigkeit eines Raumfahrzeugs um ein Vielfaches erhöhen. Allerdings verschwendet es viel Zeit, die Schwerkraft von Jupiter und der Sonne zu nutzen, um mehr Geschwindigkeit zu erreichen. Die Raumsonde braucht viele Monate, um die Sonne zu umrunden und Geschwindigkeit zu erreichen, bevor die eigentliche Mission beginnt.
Beste chemische Raketengeschwindigkeiten und -zeiten
Das Auftanken einer großen Rakete wie der SpaceX BFR kann zu überraschend guten Reisezeiten zum Mars führen.
Mehrere orbitale Betankungen des SpaceX BFR in einer hohen Umlaufbahn können die Geschwindigkeit des BFR maximieren. Ein vollgetankter SpaceX BFR würde die einfache Reise zum Mars auf nur 40 Tage verkürzen. Anstelle eines Hohmann-Transfers würde eine parabolische Umlaufbahn verwendet.
Weltraummissionen zum Mars waren kleine Raumschiffe. Die gesamte Mission wurde von der Erde aus gestartet. Dies bedeutet, dass der größte Teil des Brennstoffs verwendet wurde, um das System von der Erde zu entfernen. Die letzte Stufe ist winzig und langsam.
Durch das Auftanken des SpaceX BFR im Orbit ist eine große chemisch angetriebene Weltraummission mit bis zu 10,0 Kilometer pro Sekunde Delta-V möglich. Dies ist etwa 100-mal größer als bei früheren Erd-Mars-Missionen und dreimal schneller.
Tabelle der Fahrgeschwindigkeiten
Die Treibmittelgeschwindigkeiten werden unten verglichen. Fortschrittlicher Antrieb kann zwanzig- bis fünfzigmal schneller sein als chemische Raketen und vorhandene Ionenantriebe.
Space Shuttle Solid Rocket Booster 250 ISP 2,500 meters per second. Liquid oxygen-liquid hydrogen 450 ISP 4,400 meters per second. Ion thruster 3000 ISP 29,000 meters per second. New Lithium-ion drive 50000 ISP 480,000 meters per second (1.07 million mph). Positron Dynamics catalyzed fusion 100000 ISP 980,000 meters per second (2.1 million mph). Advanced catalyzed fusion 1000000 ISP 9,800,000 meters per second. (21 million mph)
Fortschrittlicher Antrieb: Multi-Megawatt-Lithium-Ionen-Antriebe
JPL (Jet Propulsion Lab) wird innerhalb von 4 Monaten ein 50000 ISP Lithium-Ionen-Triebwerk testen. Dies ist Teil einer Phase-2-Studie der NASA NIAC zur Verwendung von Lasern, um 10 Megawatt Leistung auf neue Ionenantriebe zu strahlen.
Viele Menschen sind sich der jüngsten Fortschritte bei leistungsstärkeren Lasern nicht bewusst. Das US-Militär entwickelt Laser-Arrays, die innerhalb der nächsten 2 Jahre 100 Kilowatt produzieren können. Bis etwa 2025 soll das Militär über Megawatt-Laser-Arrays verfügen.
Laserstrahlbetriebene Lithium-Ionen-Laufwerke sind zehnmal schneller als alle vorherigen Ionen-Laufwerke. Ein Raumschiff mit diesem System würde weniger als ein Jahr brauchen, um Pluto zu erreichen.
JPL baut und testet die verschiedenen Komponenten dieses Systems. Das Segel und die Ionenantriebe kommen zusammen. Der schwierige Teil sind die Phased-Array-Laser.
Sie erhöhen die Prüfspannung auf bis zu 6000 Volt, damit die Lithium-Ionen-Antriebe direkt angesteuert werden können. Direktantrieb macht eine Menge schwerer Elektronik überflüssig, die die Leistung beeinträchtigen würde.
Die Leistungsdichte wird hundertmal höher sein als die von Sonnenenergie. Sie werden die Systemgröße reduzieren, indem sie eine Laserwellenlänge von 300 Nanometern anstelle von 1063 Nanometern verwenden.
Der Multi-Megawatt-Lithium-Ionen-Antrieb hat technische Herausforderungen. Ein gut finanziertes Projekt kann jedoch vor 2040 erfolgreich sein.
Fortschrittlicher Antrieb: Positronendynamik – Positronenkatalysierter Fusionsantrieb
Positron Dynamics hat NIAC Updates gegeben und Brian Wang hat Ryan Weed, CEO von Positron Dynamics, interviewt.
Die Probleme, Antimaterie zu erzeugen und zu speichern, werden vermieden. Krypton-Isotope werden verwendet, um heiße Positronen zu erzeugen. Mehr Isotope können unter Verwendung von Neutronen produzierenden Reaktoren hergestellt werden. Dies vermeidet das Problem der Erzeugung von Antimaterie.
Antimaterie wird nicht gespeichert, was großartig ist, denn wir wissen nicht, wie man Antimaterie speichert. Positronen werden erzeugt und dann in einen Prozess geleitet, der einen Fusionsantrieb erzeugt. Dies löst auch das Problem der Verwendung von Antimaterie zur Antriebserzeugung.
Positronendynamik verlangsamt die erzeugten Positronen. Sie haben ein kleines Moderatorengerät. Es verwendet mehrere Schichten von Siliziumkarbid-Film, um einzelne Positronen zu extrahieren. Ein elektrisches Feld bewirkt, dass die Partikel an die Oberfläche jeder Schicht driften, wo sie abkühlen können. Die Positronen katalysieren Fusionsreaktionen in einem dichten Deuteriumblock. Dadurch entsteht Vortrieb.
Von: Brian Wang von Nextbigfuture.
