Diese Frage haben wir uns alle schon einmal gestellt: Wie lange würde es dauern, zu den Sternen zu reisen? Könnte es zu Lebzeiten eines Menschen sein und könnte diese Art von Reisen eines Tages zur Norm werden? Auf diese Frage gibt es viele mögliche Antworten – manche ganz einfach, andere im Bereich der Science-Fiction. Aber eine umfassende Antwort zu finden, bedeutet, viele Dinge zu berücksichtigen.
Leider wird jede realistische Einschätzung wahrscheinlich Antworten liefern, die Futuristen und Enthusiasten des interstellaren Reisens völlig entmutigen würden. Ob es Ihnen gefällt oder nicht, der Platz ist sehr groß, und unsere Technologie ist immer noch sehr begrenzt. Sollten wir jedoch jemals daran denken, das Nest zu verlassen, haben wir eine Reihe von Möglichkeiten, um zum nächsten Sonnensystem in unserer Galaxie zu gelangen.
Der der Erde am nächsten gelegene Stern ist unsere Sonne, die ein ziemlich „durchschnittlicher“ Stern in der Welt ist Hertzsprung – Russell-Diagramm ‘s „Hauptsequenz“. Dies bedeutet, dass es sehr stabil ist und die Erde mit genau der richtigen Art von Sonnenlicht versorgt, damit sich Leben auf unserem Planeten entwickeln kann. Wir wissen, dass es Planeten in der Nähe unseres Sonnensystems gibt, die andere Sterne umkreisen, und viele dieser Sterne ähneln unserem eigenen.
Über 2000 Exoplaneten wurden identifiziert, von denen viele als bewohnbar gelten. Bildnachweis: phl.upl.edu
Sollte die Menschheit in Zukunft das Sonnensystem verlassen wollen, werden wir eine riesige Auswahl an Sternen haben, zu denen wir reisen könnten, und viele könnten die richtigen Bedingungen für das Gedeihen des Lebens haben. Aber wohin würden wir gehen und wie lange würde es dauern, bis wir dort ankommen?
Denken Sie daran, dies ist alles spekulativ und es gibt derzeit keinen Maßstab für interstellare Reisen. Wie gesagt, los geht's!
Nächster Stern:
Wie bereits erwähnt, ist Proxima Centauri der unserem Sonnensystem am nächsten gelegene Stern, weshalb es am sinnvollsten ist, zuerst eine interstellare Mission zu diesem System zu planen. Als Teil eines Dreifachsternsystems namens Alpha Centauri ist Proxima etwa 4,24 Lichtjahre (oder 1,3 Parsec) von der Erde entfernt. Alpha Centauri ? ist der hellste der drei Sterne im System (Teil einer binären 4,37 Lichtjahre entfernt), während Proxima Centauri ein isolierter Roter Zwerg ist.
Und während interstellare Reisen alle Arten von Visionen von Faster-Than-Light (FTL)-Reisen heraufbeschwören, von Warpgeschwindigkeit und Wurmlöchern bis hin zu Sprungantrieben, sind solche Theorien entweder hochspekulativ (wie die Alcubierre-Fahrt ) oder ganz im Bereich der Science-Fiction. Aller Wahrscheinlichkeit nach wird jede Weltraummission Generationen brauchen, um dorthin zu gelangen, anstatt ein paar Tage oder blitzschnell.
Wie lange wird es also dauern, beginnend mit den langsamsten Formen der Raumfahrt nach Proxima Centauri?
Aktuelle Methoden:
Die Frage, wie lange es dauern würde, um irgendwo ins All zu gelangen, ist etwas einfacher, wenn man sich mit der vorhandenen Technologie und den Körpern unseres Sonnensystems befasst. Zum Beispiel mit der Technologie, die die Neue Horizonte Mission – die aus 16 Triebwerken bestand, die mit Hydrazin-Monotreibstoff betrieben wurden – den Mond erreichen würde nur 8 Stunden und 35 Minuten dauern.
Auf der anderen Seite gibt es die von der Europäischen Weltraumorganisation (ESA) SMART-1-Mission , das seine Zeit brauchte, um mit der Methode des Ionenantriebs zum Mond zu reisen. Mit dieser revolutionären Technologie, die seither in einer Variation von den Raumsonde Dawn Um Vesta zu erreichen, brauchte die SMART-1-Mission ein Jahr, einen Monat und zwei Wochen, um den Mond zu erreichen.
Vom schnellen raketengetriebenen Raumschiff bis zum sparsamen Ionenantrieb haben wir also einige Möglichkeiten, uns im lokalen Weltraum fortzubewegen – und wir könnten Jupiter oder Saturn für eine kräftige Gravitationsschleuder verwenden. Wenn wir jedoch Missionen an einen etwas abgelegeneren Ort in Betracht ziehen würden, müssten wir unsere Technologie skalieren und prüfen, was wirklich möglich ist.
Wenn wir von möglichen Methoden sprechen, meinen wir solche, die bereits existierende Technologien beinhalten, oder solche, die noch nicht existieren, aber technisch machbar sind. Einige sind, wie Sie sehen werden, altbewährt und bewährt, während andere auf dem Vormarsch sind oder noch im Vorstand sind. In fast allen Fällen stellen sie jedoch ein mögliches (aber extrem zeitaufwendiges oder teures) Szenario dar, um selbst die nächsten Sterne zu erreichen…
Ionenantrieb:
Derzeit ist der Ionenmotor der langsamste Antrieb und der sparsamste Antrieb. Vor einigen Jahrzehnten galt der Ionenantrieb als Science-Fiction-Thema. In den letzten Jahren hat sich die Technologie zur Unterstützung von Ionenmotoren jedoch stark von der Theorie in die Praxis gewandelt. Die SMART-1-Mission der ESA zum Beispiel hat ihre Mission zum Mond erfolgreich abgeschlossen, nachdem sie eine 13-monatige Spiralbahn von der Erde genommen hatte.
SMART-1 verwendet solarbetriebene Ionentriebwerke, bei denen elektrische Energie aus seinen Sonnenkollektoren gewonnen und zum Antrieb seiner . verwendet wurde Hall-Effekt-Triebwerke . Nur 82 kg Xenon-Treibmittel wurden verwendet, um SMART-1 zum Mond zu befördern. 1 kg Xenon-Treibmittel lieferte ein Delta-v von 45 m/s. Dies ist eine hocheffiziente Antriebsform, aber keineswegs schnell.
Eine der ersten Missionen zur Nutzung der Ionenantriebstechnologie war die Weltraum 1Mission zum Kometen Borrelly das fand 1998 statt. DS1 verwendete auch einen Xenon-betriebenen Ionenantrieb, der 81,5 kg Treibmittel verbrauchte. Nach mehr als 20 Monaten Schub erreichte DS1 während seines Vorbeiflugs am Kometen eine Geschwindigkeit von 56.000 km/h (35.000 Meilen/h).
Ionentriebwerke sind daher wirtschaftlicher als Raketentechnologie, da der Schub pro Masseeinheit des Treibstoffs (auch bekannt als spezifischer Impuls) viel höher ist. Aber es dauert lange, bis ein Ionentriebwerk ein Raumfahrzeug auf große Geschwindigkeiten beschleunigt, und die maximale Geschwindigkeit, die es erreichen kann, hängt von seiner Treibstoffversorgung und davon ab, wie viel elektrische Energie es erzeugen kann.
Künstlerisches Konzept der Dawn-Mission über Ceres. Seit seiner Ankunft drehte sich das Raumschiff um, um das blaue Leuchten seines Ionentriebwerks in die entgegengesetzte Richtung zu richten. Bildnachweis: NASA/JPL
Wenn also Ionenantrieb für eine Mission zu Proxima Centauri verwendet werden sollte, würden die Triebwerke eine riesige Energiequelle (z. Aber ausgehend von der Annahme, dass eine Zufuhr von 81,5 kg Xenon-Treibstoff einer Höchstgeschwindigkeit von 56.000 km/h entspricht, lassen sich einige Berechnungen anstellen.
Kurz gesagt, bei einer Höchstgeschwindigkeit von 56.000 km/hWeltraum 1würde übernehmen81.000 Jahredie 4,24 Lichtjahre zwischen der Erde und Proxima Centauri zu durchqueren. Um diese Zeitskala ins rechte Licht zu rücken, wären das über 2.700 Menschengenerationen. Man kann also mit Sicherheit sagen, dass eine interplanetare Ionentriebwerksmission viel zu langsam wäre, um für eine bemannte interstellare Mission in Betracht gezogen zu werden.
Sollten die Ionentriebwerke jedoch größer und leistungsstärker gemacht werden (dh die Ionenausstoßgeschwindigkeit müsste erheblich höher sein) und könnte genug Treibstoff transportiert werden, um das Raumfahrzeug für die gesamte Reise von 4.243 Lichtjahren am Laufen zu halten, könnte diese Reisezeit erheblich sein reduziert. Aber immer noch nicht genug, um zu Lebzeiten eines Menschen zu passieren.
Methode der Schwerkraftunterstützung:
Das schnellste existierende Mittel der Raumfahrt ist als Gravity Assist-Methode bekannt, bei der ein Raumfahrzeug die relative Bewegung (d. h. die Umlaufbahn) und die Schwerkraft eines Planeten nutzt, um Weg und Geschwindigkeit zu ändern. Gravitationshilfen sind eine sehr nützliche Raumflugtechnik, insbesondere wenn die Erde oder ein anderer massiver Planet (wie ein Gasriese) zur Beschleunigung der Geschwindigkeit verwendet wird.
Eine Helios-Sonde wird für den Start gekapselt. Kredit: Gemeinfrei
Die Seemann 10 Raumsonde war die erste, die diese Methode anwendete und im Februar 1974 die Anziehungskraft der Venus nutzte, um sie in Richtung Merkur zu schleudern. In den 1980er Jahren wurde die Reisen 1 Sonde nutzte Saturn und Jupiter für Gravitationsschleudern, um ihre aktuelle Geschwindigkeit von 60.000 km/h (38.000 Meilen/h) zu erreichen und in den interstellaren Raum zu gelangen.
Es war jedoch der Helios 2 Mission – die 1976 gestartet wurde, um das interplanetare Medium von 0,3 AE bis 1 AE zur Sonne zu untersuchen –, die den Rekord für die höchste Geschwindigkeit hält, die mit einer Schwerkraftunterstützung erreicht wurde. Damals,Helios 1(die 1974 auf den Markt kam) undHelios 2hielt den Rekord für die nächste Annäherung an die Sonne.Helios 2wurde von einer konventionellen Titan/Centaur-Trägerrakete der NASA gestartet und in eine stark elliptische Umlaufbahn gebracht.
Aufgrund der großen Exzentrizität (0,54) der Sonnenbahn der Sonde (190 Tage) im Perihel,Helios 2konnte eine Höchstgeschwindigkeit von über 240.000 km/h (150.000 Meilen/h) erreichen – die allein durch die Anziehungskraft der Sonne erreicht wurde. Technisch gesehen ist dasHelios 2Die Perihelgeschwindigkeit war keine Gravitationsschleuder, sondern eine maximale Umlaufgeschwindigkeit, aber sie hält trotzdem den Rekord als das schnellste von Menschenhand geschaffene Objekt.
Also, wennReisen 1mit einer konstanten Geschwindigkeit von 60.000 km/h in Richtung Proxima Centauri reiste, würde es 76.000 Jahre (über 2.500 Generationen) dauern, um dorthin zu gelangen. Aber wenn es die Rekordgeschwindigkeit vonHelios 2‘’s nahe Annäherung an die Sonne – eine konstante Geschwindigkeit von 240.000 km/h – würde es dauern19.000 Jahre(oder über 600 Generationen) um 4.243 Lichtjahre zu reisen. Deutlich besser, aber immer noch nicht im Bereich der Praktikabilität.
Künstlerische Darstellung eines Crew Transfer Vehicle (CTV), das seine nuklearthermischen Raketentriebwerke verwendet, um zu verlangsamen und eine Umlaufbahn um den Mars herzustellen. Bildnachweis: NASA
Nuklearthermischer/nuklearelektrischer Antrieb (NTP/NEP):
Eine andere Möglichkeit für die interstellare Raumfahrt ist die Verwendung von Raumfahrzeugen, die mit . ausgestattet sind Nuklearmotoren , ein Konzept, das die NASA seit Jahrzehnten erforscht. In einer Nuclear Thermal Propulsion (NTP)-Rakete werden Uran- oder Deuteriumreaktionen verwendet, um flüssigen Wasserstoff in einem Reaktor zu erhitzen und ihn in ionisiertes Wasserstoffgas (Plasma) umzuwandeln, das dann durch eine Raketendüse geleitet wird, um Schub zu erzeugen.
Bei einer nuklearen elektrischen Antriebsrakete (NEP) wandelt derselbe Basisreaktor seine Wärme und Energie in elektrische Energie um, die dann einen Elektromotor antreiben würde. In beiden Fällen würde die Rakete auf Kernspaltung oder -fusion angewiesen sein, um Antrieb zu erzeugen, und nicht auf chemische Treibstoffe, die bisher die Hauptstütze der NASA und aller anderen Weltraumbehörden waren.
Im Vergleich zum chemischen Antrieb bieten sowohl NTP als auch NEC eine Reihe von Vorteilen. Die erste und offensichtlichste ist die praktisch unbegrenzte Energiedichte, die es im Vergleich zu Raketentreibstoff bietet. Darüber hinaus könnte ein nuklearbetriebenes Triebwerk auch im Vergleich zur verwendeten Treibmittelmenge einen überlegenen Schub liefern. Dies würde die Gesamtmenge an benötigtem Treibmittel reduzieren, wodurch das Startgewicht und die Kosten für einzelne Missionen gesenkt würden.
Obwohl noch nie nuklearthermische Triebwerke geflogen sind, wurden in den letzten Jahrzehnten mehrere Konstruktionskonzepte gebaut und getestet und zahlreiche Konzepte vorgeschlagen. Diese reichten von der traditionellen Solid-Core-Bauweise – wie z Nuklearantrieb für Raketenfahrzeuganwendungen (NERVA) – zu fortschrittlicheren und effizienteren Konzepten, die entweder auf einem flüssigen oder einem gasförmigen Kern beruhen.
Trotz dieser Vorteile hinsichtlich Kraftstoffeffizienz und spezifischem Impuls hat das ausgereifteste NTP-Konzept jedoch einen maximalen spezifischen Impuls von 5000 Sekunden (50 kN·s/kg). NASA-Wissenschaftler schätzen, dass mit Kernmotoren, die durch Kernspaltung oder Fusion angetrieben werden, nur ein Raumschiff benötigt wird 90 Tage bis zum Mars als sich der Planet in „Opposition“ befand – d. h. nur 55.000.000 km von der Erde entfernt.
Aber bereinigt um eine einfache Reise nach Proxima Centauri würde eine Atomrakete immer noch Jahrhunderte brauchen, um einen Bruchteil der Lichtgeschwindigkeit zu erreichen. Er würde dann mehrere Jahrzehnte Reisezeit benötigen, gefolgt von vielen weiteren Jahrhunderten der Entschleunigung, bevor er sein Ziel erreicht. Alles in allem reden wir immer noch über1000 Jahrebevor es sein Ziel erreicht. Gut für interplanetare Missionen, nicht so gut für interstellare.
Theoretische Methoden:
Mit der vorhandenen Technologie wäre es unerschwinglich, Wissenschaftler und Astronauten auf eine interstellare Mission zu schicken. Wenn wir diese Reise innerhalb eines einzigen Lebens oder sogar einer Generation machen wollen, wird etwas Radikaleres (auch bekannt als sehr theoretisch) benötigt. Und obwohl Wurmlöcher und Sprungmotoren zu diesem Zeitpunkt noch reine Fiktion sind, gibt es einige ziemlich fortschrittliche Ideen, die im Laufe der Jahre in Betracht gezogen wurden.
Nuklearer Impulsantrieb:
Nuklearer Impulsantrieb ist eine theoretisch mögliche Form der schnellen Raumfahrt. Das Konzept wurde ursprünglich 1946 von Stanislaw Ulam vorgeschlagen, einem polnisch-amerikanischen Mathematiker, der am Manhattan-Projekt beteiligt war, und erste Berechnungen wurden dann 1947 von F. Reines und Ulam durchgeführt. Das eigentliche Projekt – bekannt als Projekt Orion – wurde 1958 initiiert und dauerte bis 1963.
Unter der Leitung von Ted Taylor von General Atomics und dem Physiker Freeman Dyson vom Institute for Advanced Study in Princeton hoffte Orion, die Kraft gepulster Kernexplosionen zu nutzen, um einen enormen Schub mit sehr hohem spezifischem Impuls (dh der Schubmenge im Vergleich zum Gewicht oder wie viele Sekunden die Rakete ununterbrochen abfeuern kann).
Kurz gesagt handelt es sich beim Orion-Design um ein großes Raumfahrzeug mit einem großen Vorrat an thermonuklearen Sprengköpfen, das einen Vortrieb erzielt, indem es eine Bombe dahinter abfeuert und dann mit Hilfe eines hinten angebrachten Pads, das als „Pusher“ bezeichnet wird, auf der Detonationswelle reitet. Nach jeder Explosion würde die Sprengkraft von diesem Drücker aufgenommen, der dann den Schub in Schwung umwandelt.
Nach modernen Maßstäben wenig elegant, hat die Konstruktion jedoch den Vorteil, dass sie einen hohen spezifischen Impuls erzielt – also bei minimalen Kosten die maximale Energiemenge aus ihrer Brennstoffquelle (in diesem Fall Atombomben) entzieht. Darüber hinaus könnte das Konzept theoretisch sehr hohe Geschwindigkeiten erreichen, wobei einige Schätzungen eine Baseball-Zahl von bis zu 5 % der Lichtgeschwindigkeit (oder 5,4 × 10 Zoll) nahelegen7km/h).
Bei dieser Geschwindigkeit würde eine Orion-Raumsonde etwa 85 Jahre brauchen, um eine Besatzung von Kolonisten nach Proxima Centauri zu transportieren. Das berücksichtigt natürlich nicht die Zeit, die benötigt wird, um das Raumfahrzeug auf Geschwindigkeit zu bringen und dann vor der Ankunft abzubremsen. In Wirklichkeit wäre es also eher etwas mehr als ein Jahrhundert, was immer noch ziemlich beeindruckend ist.
Künstlerisches Konzept der Orion-Raumsonde, die die Erde verlässt. Bildnachweis: bisbos.com/Adrian Mann
Aber natürlich gibt es die unvermeidlichen Nachteile des Designs. Zum einen wäre ein Schiff dieser Größe unglaublich teuer zu bauen. Nach Schätzungen von Dyson im Jahr 1968 , ein Orion-Raumschiff, das Wasserstoffbomben verwendet, um den Antrieb zu erzeugen, würde 400.000 bis 4.000.000 Tonnen wiegen. Und mindestens drei Viertel dieses Gewichts bestehen aus Atombomben, wobei jeder Sprengkopf etwa 1 Tonne wiegt.
Insgesamt bezifferten Dysons konservativste Schätzungen die Gesamtkosten für den Bau eines Orion-Schiffs auf 367 Milliarden Dollar. Inflationsbereinigt sind das rund 2,5 Billionen Dollar – das sind mehr als zwei Drittel der aktuellen Jahreseinnahmen der US-Regierung. Daher wäre das Fahrzeug selbst im leichtesten Fall extrem teuer in der Herstellung.
Es gibt auch das kleine Problem der ganzen Strahlung, die es erzeugt, ganz zu schweigen vom Atommüll. Aus diesem Grund wird angenommen, dass das Projekt aufgrund der Verabschiedung der Vertrag über ein teilweises Testverbot von 1963, die darauf abzielte, Atomtests zu begrenzen und die übermäßige Freisetzung von nuklearem Fallout in die Atmosphäre des Planeten zu stoppen.
Fusionsraketen:
Eine andere Möglichkeit sind Raketen, die auf thermonukleare Reaktionen angewiesen sind, um Schub zu erzeugen. Bei diesem Konzept wird Energie erzeugt, wenn Pellets eines Deuterium/Helium-3-Gemischs in einer Reaktionskammer durch Trägheitseinschluss mit Elektronenstrahlen gezündet werden (ähnlich wie bei der Nationale Zündanlage in Kalifornien). Dieser Fusionsreaktor würde 250 Pellets pro Sekunde detonieren, um hochenergetisches Plasma zu erzeugen.
Künstlerisches Konzept der Raumsonde Daedalus, einer zweistufigen Fusionsrakete, die bis zu 12% der Lichtgeschwindigkeit erreichen würde. Bildnachweis: Adrian Mann
Dieses Plasma würde dann von einer Magnetdüse geleitet, um Schub zu erzeugen. Ähnlich wie bei Kernreaktoren bietet dieses Konzept Vorteile hinsichtlich Brennstoffeffizienz und spezifischem Impuls. Es werden Abgasgeschwindigkeiten von bis zu 10.600 km/s geschätzt, was weit über der Geschwindigkeit konventioneller Raketen liegt. Darüber hinaus wurde die Technologie in den letzten Jahrzehnten intensiv untersucht und viele Vorschläge gemacht.
Zum Beispiel, zwischen 1973 und 1978, die Britische Interplanetare Gesellschaft führte eine Machbarkeitsstudie durch, die als bekannt ist Projekt Daedalus . Basierend auf dem aktuellen Wissen der Fusionstechnologie und bestehenden Methoden forderte die Studie die Schaffung einer zweistufigen unbemannten wissenschaftlichen Sonde, die in einem einzigen Leben eine Reise zum Barnard-Stern (5,9 Lichtjahre von der Erde entfernt) unternehmen soll.
Die erste Stufe, die größere der beiden, würde 2,05 Jahre laufen und das Raumfahrzeug auf 7,1 % der Lichtgeschwindigkeit (0,071 .) beschleunigenC). Diese Stufe würde dann abgeworfen, woraufhin die zweite Stufe ihr Triebwerk zünden und das Raumfahrzeug auf etwa 12% der Lichtgeschwindigkeit (0,12 .) beschleunigen würdeC) über einen Zeitraum von 1,8 Jahren. Das Triebwerk der zweiten Stufe würde dann abgeschaltet und das Schiff würde in eine 46-jährige Kreuzfahrtperiode eintreten.
Nach Schätzungen des Projekts würde die Mission 50 Jahre dauern, um Barnards Stern zu erreichen. Bereinigt um Proxima Centauri könnte das gleiche Fahrzeug die Reise in machen36 Jahre. Aber natürlich hat das Projekt auch zahlreiche Stolpersteine identifiziert, die es mit der damaligen Technik nicht realisierbar machten – die meisten davon noch ungelöst.
Künstlerisches Konzept der Raumsonde Project Daedalus mit einer daneben stehenden Saturn-V-Rakete für den Maßstab. Bildnachweis: Adrian Mann
Da ist zum Beispiel die Tatsache, dass Helium-3 auf der Erde knapp ist, was bedeutet, dass es woanders (höchstwahrscheinlich auf dem Mond) abgebaut werden müsste. Zweitens erfordert die Reaktion, die das Raumfahrzeug antreibt, dass die freigesetzte Energie die Energie, die zum Auslösen der Reaktion verwendet wird, bei weitem übersteigt. Und während Experimente hier auf der Erde die „ Break-Even-Ziel , sind wir noch weit von der Energie entfernt, die benötigt wird, um ein interstellares Raumschiff anzutreiben.
Drittens gibt es den Kostenfaktor für den Bau eines solchen Schiffes. Selbst nach dem bescheidenen Standard des unbemannten Fahrzeugs von Project Daedalus würde ein voll betanktes Fahrzeug bis zu 60.000 Mt wiegen und etwa 5.986 Milliarden US-Dollar kosten. Kurz gesagt, der Bau einer Fusionsrakete wäre nicht nur unerschwinglich; es würde auch ein Niveau der Fusionsreaktortechnologie erfordern, das derzeit unsere Möglichkeiten übersteigt.
Icarus Interstellar, eine internationale Organisation freiwilliger Bürgerwissenschaftler (von denen einige für die NASA oder die ESA arbeiteten) hat seitdem versucht, das Konzept mit Projekt Ikarus . Die 2009 gegründete Gruppe hofft, in naher Zukunft unter anderem Fusionsantriebe machbar zu machen.
Fusions-Staustrahl:
Auch bekannt als die Bussard Ramjet , diese theoretische Antriebsform wurde erstmals 1960 vom Physiker Robert W. Bussard vorgeschlagen. Im Grunde ist sie eine Verbesserung gegenüber der Standard-Kernfusionsrakete, die magnetische Felder verwendet, um Wasserstoffbrennstoff so weit zu komprimieren, dass eine Fusion stattfindet. Aber im Fall des Ramjets „schöpft“ ein riesiger elektromagnetischer Trichter Wasserstoff aus dem interstellaren Medium und leitet ihn als Brennstoff in den Reaktor.
Künstlerisches Konzept des Bussard Ramjet, der Wasserstoff aus dem interstellaren Medium nutzen würde, um seine Fusionsmotoren anzutreiben. Bildnachweis: futurespacetransportation.weebly.com
Wenn das Schiff an Geschwindigkeit gewinnt, wird die reaktive Masse in ein zunehmend eingeschnürtes Magnetfeld gezwungen, das es komprimiert, bis eine thermonukleare Fusion stattfindet. Das Magnetfeld leitet dann die Energie als Raketenabgase durch eine Triebwerksdüse und beschleunigt dadurch das Schiff. Ohne Treibstofftanks zum Beschweren könnte ein Fusions-Staustrahl Geschwindigkeiten von fast 4% der Lichtgeschwindigkeit erreichen und sich überall in der Galaxie bewegen.
Die potentiellen Nachteile dieser Konstruktion sind jedoch zahlreich. Da ist zum Beispiel das Problem des Widerstands. Das Schiff ist auf erhöhte Geschwindigkeit angewiesen, um Treibstoff zu sammeln, aber da es mit immer mehr interstellarem Wasserstoff kollidiert, kann es auch an Geschwindigkeit verlieren – insbesondere in dichteren Regionen der Galaxie. Zweitens sind Deuterium und Tritium (die in Fusionsreaktoren hier auf der Erde verwendet werden) im Weltraum selten, während die Verschmelzung von regulärem Wasserstoff (der im Weltraum reichlich vorhanden ist) über unsere derzeitigen Methoden hinausgeht.
Dieses Konzept wurde in der Science-Fiction weit verbreitet. Das vielleicht bekannteste Beispiel dafür ist das Franchise vonStar Trek, wo ' Bussard-Sammler “ sind die leuchtenden Gondeln von Warptriebwerken. Aber in Wirklichkeit müssen unsere Kenntnisse über Fusionsreaktionen noch beträchtliche Fortschritte machen, bevor ein Staustrahl möglich ist. Wir müssten auch dieses lästige Widerstandsproblem lösen, bevor wir in Erwägung ziehen, ein solches Schiff zu bauen!
Laser-Segel:
Sonnensegel gelten seit langem als kostengünstige Möglichkeit, das Sonnensystem zu erkunden. Solarsegel sind nicht nur relativ einfach und billig herzustellen, sondern benötigen auch keinen Kraftstoff. Anstatt Raketen zu verwenden, die Treibstoff benötigen, nutzt das Segel den Strahlungsdruck von Sternen, um große ultradünne Spiegel auf hohe Geschwindigkeiten zu bringen.
Raumsonde IKAROS mit Sonnensegel im Flug (Künstlerdarstellung) mit typischer Rahsegelkonfiguration. Bildnachweis: Wikimedia Commons/Andrzej Mirecki
Für den interstellaren Flug müsste ein solches Segel jedoch durch fokussierte Energiestrahlen (d. h. Laser oder Mikrowellen) angetrieben werden, um es auf eine Geschwindigkeit zu bringen, die sich der Lichtgeschwindigkeit nähert. Das Konzept wurde ursprünglich vorgeschlagen von Robert Stürmer im Jahr 1984 , der damals Physiker in den Forschungslabors von Hughes Aircraft war.
Das Konzept behält die Vorteile eines Sonnensegels bei, da es keinen Treibstoff an Bord benötigt, aber auch die Tatsache, dass Laserenergie mit der Entfernung nicht annähernd so stark zerstreut wird wie Sonnenstrahlung. Während also ein lasergetriebenes Segel einige Zeit brauchen würde, um auf nahezu leuchtende Geschwindigkeiten zu beschleunigen, wäre es nur auf die Lichtgeschwindigkeit selbst begrenzt.
nach a 2000 Studie produziert von Robert Frisbee, einem Direktor für fortgeschrittene Antriebskonzeptstudien am NASA JPL, könnte ein Lasersegel in weniger als einem Jahrzehnt auf die halbe Lichtgeschwindigkeit beschleunigt werden. Er berechnete auch, dass ein Segel mit einem Durchmesser von etwa 320 km (200 Meilen) Proxima Centauri in etwas mehr als . erreichen könnte12 Jahre. In der Zwischenzeit würde ein Segel mit einem Durchmesser von etwa 965 km (600 Meilen) in knapp unter ankommen9 Jahre.
Ein solches Segel müsste jedoch aus fortschrittlichen Verbundwerkstoffen gebaut werden, um ein Schmelzen zu vermeiden. In Kombination mit seiner Größe wäre dies ein hübscher Cent! Noch schlimmer sind die Kosten, die durch den Bau eines Lasers entstehen, der groß und stark genug ist, um ein Segel auf die halbe Lichtgeschwindigkeit zu treiben. Laut Frisbees eigener Studie würden die Laser einen konstanten Strom von 17.000 Terawatt Leistung benötigen – fast so viel, wie die ganze Welt an einem einzigen Tag verbraucht.
Künstlerisches Konzept einer Antimaterie-betriebenen Raumsonde für Missionen zum Mars als Teil der Mars Reference Mission. Bildnachweis: NASA
Antimaterie-Motor:
Fans von Science-Fiction werden sicherlich schon von Antimaterie gehört haben. Aber falls nicht, ist Antimaterie im Wesentlichen Material, das aus Antiteilchen besteht, die die gleiche Masse, aber die entgegengesetzte Ladung wie normale Teilchen haben. Ein Antimaterie-Triebwerk hingegen ist eine Antriebsform, die Wechselwirkungen zwischen Materie und Antimaterie nutzt, um Kraft oder Schub zu erzeugen.
Kurz gesagt, bei einem Antimaterie-Motor werden Wasserstoff- und Antiwasserstoffpartikel zusammengeknallt. Diese Reaktion setzt so viel Energie wie eine thermonukleare Bombe frei, zusammen mit einem Schauer subatomarer Teilchen, die Pionen und Myonen genannt werden. Diese Partikel, die sich mit einem Drittel der Lichtgeschwindigkeit bewegen würden, werden dann von einer Magnetdüse kanalisiert, um Schub zu erzeugen.
Der Vorteil dieser Raketenklasse besteht darin, dass ein großer Teil der Ruhemasse eines Materie-Antimaterie-Gemischs in Energie umgewandelt werden kann, wodurch Antimaterie-Raketen eine weitaus höhere Energiedichte und einen höheren spezifischen Impuls haben als jede andere vorgeschlagene Raketenklasse. Darüber hinaus könnte die Kontrolle dieser Art von Reaktion eine Rakete auf die halbe Lichtgeschwindigkeit bringen.
Pfund für Pfund wäre diese Schiffsklasse die schnellste und treibstoffsparendste, die je konzipiert wurde. Während konventionelle Raketen tonnenweise chemischen Treibstoff benötigen, um ein Raumschiff ans Ziel zu bringen, könnte ein Antimaterie-Triebwerk die gleiche Aufgabe mit nur wenigen Milligramm Treibstoff erfüllen. Tatsächlich würde die gegenseitige Vernichtung eines halben Pfunds Wasserstoff- und Antiwasserstoffteilchen mehr Energie freisetzen als eine 10-Megatonnen-Wasserstoffbombe.
Materie und Antimaterie mögen sich gegenseitig auslöschen. Bildnachweis: NASA/CXC/M. Weiss
Genau aus diesem Grund NASAs Institute for Advanced Concepts (NIAC) hat die Technologie als mögliches Mittel für zukünftige Marsmissionen untersucht. Wenn man über Missionen zu nahegelegenen Sternensystemen nachdenkt, vervielfacht sich leider die Treibstoffmenge, die für die Reise benötigt wird, exponentiell, und die Kosten für die Herstellung wären astronomisch (kein Wortspiel!).
Laut einem Bericht, der für die 39. AIAA/ASME/SAE/ASEE Gemeinsame Antriebskonferenz und Ausstellung (ebenfalls von Robert Frisbee) würde eine zweistufige Antimaterie-Rakete über 815.000 Tonnen (900.000 US-Tonnen) Treibstoff benötigen, um die Reise nach Proxima Centauri in ungefähr40 Jahre. Das ist nicht schlecht, was die Zeitpläne angeht. Aber nochmal, die Kosten…
Während ein einziges Gramm Antimaterie eine enorme Energie erzeugen würde, wird geschätzt, dass die Herstellung genau dieser Menge ungefähr 25 Billionen Kilowattstunden Energie und Kosten über eine Billion Dollar . Derzeit werden weniger als 20 Nanogramm Antimaterie vom Menschen hergestellt. Selbst wenn wir Antimaterie kostengünstig in Massenproduktion herstellen könnten, wäre immer noch ein riesiges Schiff erforderlich, um die erforderliche Menge an Treibstoff aufzunehmen.
Laut einem Bericht von Dr. Darrel Smith & Jonathan Webby der Embry-Riddle Aeronautical University in Arizona könnte ein mit einem Antimaterie-Triebwerk ausgestattetes interstellares Raumschiff 0,5 Lichtgeschwindigkeit erreichen und in etwas mehr als Proxima Centauri erreichen8 Jahre. Das Schiff selbst würde jedoch 400 Tonnen (441 US-Tonnen) wiegen und für die Reise 170 Tonnen (187 US-Tonnen) Antimaterie-Brennstoff benötigen.
Künstlerisches Konzept des Vacuum to Antimater Rocket Interstellar Explorer Systems (VARIES), ein Konzept, das Solarzellen verwendet, um Laser zu betreiben, die Antimateriepartikel erzeugen, die als Brennstoff verwendet werden. Bildnachweis: Adrian Mann
Ein möglicher Weg, dies zu umgehen, besteht darin, ein Gefäß zu schaffen, das Antimaterie erzeugen kann, die es dann als Treibstoff speichern könnte. Dieses Konzept, bekannt als Vakuum-zu-Antimaterie-Rakete Interstellar Explorer System (VARIES) , wurde von Richard Obousy von Icarus Interstellar vorgeschlagen. Basierend auf der Idee der In-Situ-Betankung würde sich ein VARIES-Schiff auf große Laser verlassen (die von riesigen Solarzellen angetrieben werden), die beim Abfeuern im leeren Raum Antimateriepartikel erzeugen würden.
Ähnlich wie das Ramjet-Konzept löst dieser Vorschlag das Problem des Treibstofftransports, indem er ihn aus dem Weltraum nutzt. Aber auch hier wären die Kosten für ein solches Schiff mit der aktuellen Technologie unerschwinglich. Darüber hinaus haben wir derzeit nicht die Möglichkeit, Antimaterie in großen Mengen herzustellen. Es gibt auch die Frage der Strahlung, da die Materie-Antimaterie-Vernichtung Explosionen hochenergetischer Gammastrahlen erzeugen kann.
Dies stellt nicht nur eine Gefahr für die Besatzung dar und erfordert eine erhebliche Abschirmung von Strahlungen, sondern erfordert auch, dass die Triebwerke abgeschirmt werden, um sicherzustellen, dass sie nicht durch die gesamte Strahlung, der sie ausgesetzt sind, atomar zerfallen. Unterm Strich ist die Antimaterie-Engine mit unserer aktuellen Technologie und im aktuellen Budgetumfeld völlig unpraktisch.
Alcubierre Warpantrieb:
Fans von Science-Fiction kennen sicherlich auch das Konzept der Alcubierre (oder „Warp“) Antrieb . Diese vorgeschlagene Methode wurde 1994 vom mexikanischen Physiker Miguel Alcubierre vorgeschlagen und war ein Versuch, FTL-Reisen ohne Verstoß möglich zu machen Einsteins spezielle Relativitätstheorie . Kurz gesagt, das Konzept beinhaltet die Dehnung des Raumzeitgewebes in einer Welle, was theoretisch dazu führen würde, dass sich der Raum vor einem Objekt zusammenzieht und der Raum dahinter sich ausdehnt.
Konzept des Künstlers Mark Rademaker für die IXS Enterprise, ein theoretisches interstellares Warp-Raumschiff. Bildnachweis: Mark Rademaker/flickr.com
Ein Objekt innerhalb dieser Welle (d. h. ein Raumschiff) wäre dann in der Lage, diese Welle, die als „Warpblase“ bekannt ist, über relativistische Geschwindigkeiten hinaus zu reiten. Da sich das Schiff nicht innerhalb dieser Blase bewegt, sondern mitgenommen wird, würden die Regeln der Raumzeit und der Relativität nicht mehr gelten. Der Grund dafür ist, dass diese Methode nicht darauf beruht, sich im lokalen Sinne schneller als das Licht zu bewegen.
Es ist nur 'schneller als das Licht' in dem Sinne, dass das Schiff sein Ziel schneller erreichen konnte als ein Lichtstrahl, der sich außerhalb der Warpblase bewegte. Vorausgesetzt, ein Raumschiff könnte mit einem Alcubierre-Antriebssystem ausgestattet werden, könnte es die Reise nach Proxima Centauri inweniger als 4 Jahre. Wenn es um theoretische interstellare Raumfahrt geht, ist dies also zumindest in Bezug auf die Geschwindigkeit die mit Abstand vielversprechendste Technologie.
Natürlich hat das Konzept im Laufe der Jahre seinen Anteil an Gegenargumenten erhalten. Das wichtigste darunter ist die Tatsache, dass es die Quantenmechanik nicht berücksichtigt und durch a . ungültig gemacht werden könnte Theorie von allem (wie zum Beispiel Schleife Quantengravitation ). Berechnungen über die erforderliche Energiemenge haben auch gezeigt, dass ein Warp-Antrieb eine zu hohe Leistung erfordern würde. Weitere Unsicherheiten sind die Sicherheit eines solchen Systems, die Auswirkungen auf die Raumzeit am Zielort und Verletzungen der Kausalität.
Im Jahr 2012 gab der NASA-Wissenschaftler Harold Sonny White jedoch bekannt, dass er und seine Kollegen begonnen hatten, die Möglichkeit eines Alcubierre Drive zu erforschen. In einem Papier mit dem Titel „ Warpfeldmechanik 101 “ behauptet White, dass sie ein Interferometer konstruiert haben, das die räumlichen Verzerrungen erkennt, die durch die Ausdehnung und Kontraktion der Raumzeit der Alcubierre-Metrik erzeugt werden.
Im Jahr 2013 veröffentlichte das Jet Propulsion Laboratory Ergebnisse eines Warp-Feldtests, der unter Vakuumbedingungen durchgeführt wurde. Leider wurden die Ergebnisse als „nicht schlüssig“ gemeldet. Langfristig können wir feststellen, dass die Metrik von Alcubierre ein oder mehrere grundlegende Naturgesetze verletzen kann. Und selbst wenn sich die Physik als solide erweisen sollte, gibt es keine Garantie, dass sie für den FTL-Flug genutzt werden kann.
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Aussichten nicht sehr gut sind, wenn Sie gehofft haben, in Ihrem Leben zum nächsten Stern zu reisen. Wenn die Menschheit jedoch den Anreiz verspürte, eine „interstellare Arche“ zu bauen, die mit einer sich selbst erhaltenden Gemeinschaft von Weltraumfahrern gefüllt ist, könnte es in etwas weniger als einem Jahrhundert möglich sein, dorthin zu reisen, wenn wir bereit wären, in die erforderliche Technologie zu investieren .
Aber alle verfügbaren Methoden sind in Bezug auf die Laufzeit noch sehr begrenzt. Und obwohl es Hunderte oder Tausende von Jahren braucht, um den nächsten Stern zu erreichen, kann es für uns weniger wichtig sein, wenn unser Überleben auf dem Spiel stand, aber es ist einfach nicht praktikabel, was Weltraumforschung und Reisen angeht. Wenn eine Mission auch nur die nächsten Sterne in unserer Galaxie erreicht, wäre die eingesetzte Technologie veraltet und die Menschheit könnte zu Hause nicht einmal mehr existieren.
Wenn wir also keinen großen Durchbruch in den Bereichen Fusion, Antimaterie oder Lasertechnologie erzielen, müssen wir uns entweder mit der Erforschung unseres eigenen Sonnensystems begnügen oder gezwungen sein, eine sehr langfristige Transitstrategie zu akzeptieren…
Wir haben hier bei Universe Today viele interessante Artikel über die Raumfahrt geschrieben. Hier ist Werden wir jemals einen anderen Stern erreichen? , Warp-Laufwerke können einen tödlichen Nachteil haben , Der Alcubierre Warp Drive , Wie weit ist ein Lichtjahr? , Wenn Licht nicht schnell genug ist , Wann werden wir interstellar? , und Können wir schneller als die Lichtgeschwindigkeit reisen?
Weitere Informationen finden Sie auf den Seiten der NASA auf Antriebssysteme der Zukunft , und Ist Warp Drive echt?
Und Fans von interstellaren Reisen sollten unbedingt vorbeischauen Ikarus Interstellar und der Nummer Null Stiftung Webseiten. Greifen Sie weiter nach diesen Sternen!
