Ich habe gerade die letzte Staffel von beendet Die Weite – meine aktuelle Lieblings-Sci-Fi-Serie. Im Gegensatz zu den meisten meiner anderen Go-to-Sci-Fi ist die Erzählung von The Expanse (bisher) hauptsächlich auf unser eigenes Sonnensystem beschränkt. In Star Trek fliegen Schiffe mit Faster-Than-Light-Geschwindigkeiten durch die Galaxie und erwähnen die vielen Lichtjahre (oder Parsec *hust* Star Wars) gereist, ganz zu schweigen von Unterlichtreisen innerhalb der Sonnensysteme selbst. Die Abstände zwischen den Sternen sind riesig. Aber für die heutige Erdling-Technologie ist unser Sonnensystem selbst immer noch überwältigend riesig. Es dauert Jahre, bis man irgendwohin kommt.
In The Expanse verwenden Schiffe einen fiktiven Sublight-Antrieb namens The Epstein Drive, um mit erheblichen Bruchteilen der Lichtgeschwindigkeit schnell durch das Sonnensystem zu reisen. Wir sind noch lange nicht am Ziel, aber mit der Ankündigung von a . kommen wir näher neuer theoretischer Unterlichtantrieb . Es wird kein Epstein-Antrieb sein, aber er könnte als Ebrahimi-Antrieb bekannt werden – ein Motor, der von Fusionsreaktoren und der unglaublichen Kraft solarer koronaler Massenauswürfe inspiriert ist.
Fatima Ebrahimi in ihrem Büro c, Elle Starkman
Flip and Burn
Raketentriebwerke waren das Rückgrat der Weltraumforschung, das Menschen zum Mond beförderte, Rover zum Mars und Sonden außerhalb des Sonnensystems schickte. Bei all ihrer abgefahrenen Großartigkeit sind sie jedoch von Natur aus ineffizient und sperrig. Aus Raketentreibstoff kann man nur so viel Energie gewinnen. Infolgedessen ist der größte Teil Ihres gesamten Raumfahrzeugs ein riesiger Treibstofftank. Die Masse einer für den Mars bestimmten Rakete könnte bis zu 78 % Treibstoff betragen. Um Gewicht zu sparen, brauchen wir effizientere Motoren.
Die Messung des Motorwirkungsgrads wird als „spezifischer Impuls“ bezeichnet, der ausgedrückt wird, um wie viele Sekunden eine bestimmte Treibstoffmasse sich in der Erdanziehungskraft beschleunigen kann. Wenn ich beispielsweise ein Pfund Kraftstoff habe, wie viele Sekunden kann sich dieses Pfund Kraftstoff beschleunigen, bevor es erschöpft ist? Je länger der Kraftstoff verbrennt, desto effizienter ist Ihr Motor. Ein spezifischer Impuls kann auch als die Geschwindigkeit des Abgasschubs eines Triebwerks (der Stoff, der hinten herausfliegt) relativ zur Rakete selbst ausgedrückt werden. Einer der effizientesten Raketentriebwerke, die jemals gebaut wurden, ist der RS-25 – der Haupttriebwerk des Space Shuttles – mit einem spezifischen Impuls von 453 Sekunden und einer Abgasgeschwindigkeit von 4,4 km/s – was ziemlich schnell erscheint!
Drei RS-25-Haupttriebwerke an Bord des Space Shuttle Atlantis – c. NASA
Höher schneller
Wenn wir die Grenzen der bemannten Weltraumforschung erweitern wollen, müssen wir selbst die effizientesten Raketentriebwerke übertreffen. Die nächste Generation von Raumfahrtantrieben kam in Form von Ionenantrieben. Ionenmotoren verwenden elektromagnetische Felder, um geladene Teilchen – Ionen – zu beschleunigen, die dann aus dem Raumschiff ausgestoßen werden und Sie in die gewünschte Richtung beschleunigen. Wie Newton sagte, gleiche und entgegengesetzte Reaktion. Wenn du in die eine Richtung schießt, gehst du in die andere Richtung. Das muss kein Raketentreibstoff sein, es können nur ionisierte Gase sein.
Die Hall-Effekt-Triebwerk ist ein Ionentriebwerk-Design, das erfolgreich auf Raumfahrzeugen eingesetzt wurde, einschließlich des aktuellen SpaceX Starlink-Satelliten . Im Gegensatz zu Raketen können Hall Thruster Abgasgeschwindigkeiten von 10 – 80 km/s und einen spezifischen Impuls von 1000 – 8000 Sekunden erreichen. Diese Triebwerke sind zwar ein enormer Effizienzsprung, arbeiten jedoch in kleinen Maßstäben und erzeugen nur einen geringen Gesamtschub von nur wenigen Newton (ein Newton ist die Kraft, die benötigt wird, um 1 kg mit einem Meter pro Sekunde pro Sekunde zu beschleunigen). Ionentriebwerke sind daher ideal für kleine Roboter-Raumfahrzeuge und Satelliten, aber für größere Nutzlasten wird eine andere Konstruktion benötigt.
Hall Thruster in Betrieb im Jet Propulsion Laboratory der NASA – c. NASA/JPL
Universe Today-Video zur Funktion und Bedienung von Ionenstrahlrudern – Fraser Cain
Massenauswurf
Hier kommt das neue Triebwerk ins Spiel – kein Ionen-, sondern ein Plasma-Triebwerk – Fatima Ebrahimis Entwurf. Das Plasma-Triebwerk hat ähnliche Eigenschaften wie das Ionen-Triebwerk, da es ebenfalls elektrische Felder und geladene Teilchen verwendet. Gase aus elektrisch geladenen Teilchen werden auch als Plasma bezeichnet – als vierter Aggregatzustand. Heißes Plasma macht 99% des sichtbaren Universums aus und wird in Sternen wie der Sonne, die selbst eine riesige Plasmakugel ist, aufgewühlt. In dramatischen Ausbrüchen, die als Coronal Mass Ejections (CMEs) bezeichnet werden, schleudert die Sonne manchmal Milliarden Tonnen dieses Plasmas in den Weltraum.
Riesenkoronaler Massenauswurf von der Sonne – c. NASA
Der physikalische Mechanismus, der CMEs katalysiert, heißt magnetische Wiederverbindung. Auf der Sonnenoberfläche wird Plasma oft entlang von Magnetfeldern geleitet, wodurch enorme Schleifen oder „Prominenzen“ entstehen, die um ein Vielfaches größer sind als die der Erde. Die Feldlinien verdrehen und dehnen sich unter der magnetischen Energie, bis sie wie ein Gummiband reißen und sich wieder mit anderen Feldlinien verbinden. Die Wiederverbindung wandelt magnetische Energie in kinetische Energie und Wärme um und beschleunigt dramatisch massive Plasmamengen in den Weltraum bei Hunderte oder sogar Tausende von Kilometern pro Sekunde.
Plasma-Prominenzen auf der Sonne, die durch Schleifen magnetischer Feldlinien angetrieben werden – c. NASA
Ebrahimis Plasma-Triebwerk erzeugt ähnliche magnetische Rückverbindungen, die wir in der Sonnenkorona sehen. Anstelle eines stetigen Stroms beschleunigter Partikel wie bei einem Ionenmotor, stellen Sie sich dieses Design wie Mini-CMEs vor, die alle paar Millisekunden explodieren und einzelne Plasmablasen namens 'Plasmoide' erzeugen. Diese Plasmoiden werden erschöpft, um Schub zu erzeugen. EIN simulierter Ebrahimi-Motor erreichten spezifischen Impuls von 50.000 Sekunden bei Abgasgeschwindigkeiten von bis zu 500km/s! Viel höhere Effizienz als aktuelle Ionenmotor-Designs. Die erzeugte Kraft ist auch viel höher als bei Ionentriebwerken – bis zu 100 Newton.
Ein weiterer großer Vorteil des Plasma-Triebwerks – es kann mit fast jedem Gas betrieben werden. Ionentriebwerke wie der Hall Thruster starten mit einer begrenzten Menge an Gas wie Xenon, das ionisiert wird, um Schub zu erzeugen. Der magnetische Wiederverbindungsprozess des Plasmatriebwerks ist für den Gesamtschub wichtiger als die Art oder Masse des Gases, das zur Erzeugung von Plasmoiden verwendet wird. Ihr Raumschiff könnte also buchstäblich mit Gasen aus Gesteinen und Asteroiden im Weltraum auftanken und dann seine Reise fortsetzen.
„Um das Sonnensystem jenseits von Mond und Mars zu erforschen, ist ein elektromagnetischer Antrieb mit hohem Schub von Zehntausenden von Sekunden erforderlich“
-Fatima Ebrahimi
Sterne in Flaschen
Das Konzept des Plasmaantriebs von Ebrahimi wurde durch ihre Arbeit als leitende Forschungsphysikerin an der Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL). beim Beobachten von Plasmoiden innerhalb der PPPL Nationales sphärisches Torus-Experiment (NSTX) Fusionsreaktor. Derzeit sind alle stromerzeugenden Kernreaktoren auf der Erde Kernspaltungsreaktoren, die die Atome schwerer Elemente wie Uran spalten, um Energie freizusetzen. Fusionsreaktoren sind das Gegenteil – sie verschmelzen leichtere Elemente miteinander und replizieren die Kernkerne von Sternen. Die Fusionsenergie hat klare Vorteile gegenüber der Kernspaltung. Kernspaltungsreaktoren erzeugen radioaktiven Atommüll in Form von verbrauchten Brennstäben, die über Tausende von Jahren sicher gelagert werden müssen und der Uranbrennstoff selbst muss abgebaut werden.
NSTX „Torus“-Kammer und „Schirm“-Decke, wo das Plasma während der Reaktion magnetisch eingeschlossen wird
- C. Ellie Starkman/PPPL-Kommunikation
Fusionsreaktoren könnten im Wesentlichen mit Wasserstoff betrieben werden, der aus Wasser – einer nahezu unerschöpflichen Brennstoffquelle – freigesetzt wurde, und keine Abfallprodukte erzeugen, die vergraben werden müssen. Die Herausforderung für Fusionsreaktordesigns besteht darin, überhitztes Plasma zu enthalten. Plasma in einem Fusionsreaktor kann hundert Millionen Grad erreichen und es wird Energie benötigt, um sowohl das Plasma zu erhitzen als auch starke Magnetfelder zu erzeugen, um die Reaktion einzudämmen. Positive Reaktionen auf Nettoenergie waren selten. Reaktoren wie NSTX erzeugen durch magnetische Wiederverbindung Hochgeschwindigkeitsplasmoide, die Ebrahimi beobachtete, wie sie sich mit Geschwindigkeiten von mehr als 20 km/s innerhalb des Reaktors bewegten. Sie überlegte, wie die Plasmoiden in einem Raummotordesign eingesetzt werden könnten, was zu ihrer Forschung führte.
NSTX hat Komponenten und wissenschaftliche Daten entwickelt für ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor), dem weltweit größten Fusionsreaktor, der derzeit in Frankreich gebaut wird. Als Zusammenarbeit von 35 Nationen ist ITER eines der komplexesten Engineering-Projekte, die jemals durchgeführt wurden. Die Mission des Reaktors besteht darin, aus einer Eingangsleistung von 50 MW bis 2035 eine nachhaltige 500-MW-Reaktion (genug, um eine Stadt zu versorgen) zu erzeugen.
Was den Weltraumantrieb betrifft, so sagt Ebrahimi, dass der nächste Schritt darin bestehen wird, einen Prototyp eines Plasmamotors zu bauen, der ihr Design von der Simulation in die Realität überführt. Die Physik der Sterne kann unsere zukünftige Welt antreiben, uns in andere Welten bringen und uns vielleicht zu den Sternen selbst führen.
Die Sonne geht über dem ITER-Reaktorkomplex unter – Sterne inspirieren Sterne. - C. EJF Riche
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Anmerkung des Autors: Es wurde uns zur Kenntnis genommen, dass das Originalbild für dieses Stück ohne Genehmigung in einer öffentlichen Pressemappe verwendet wurde und dem Künstler gehört Steve Burg
Neues Feature-Bild: Experimentelle Antriebsrakete c. NASA Public Domain
Mehr zu erkunden:
Ebrahimi, F. (2020). Ein alfvenisches Plasmoid-Triebwerk mit Wiederverbindung. Journal of Plasma Physics, 86(6), 905860614. doi:10.1017/S0022377820001476 (Originaler Forschungsartikel. Open Access)
Neuer Weg, Plasmaantrieb leichter und effizienter zu machen – Universe Today
ITER – der Weg zu neuer Energie
Iter: Weltweit größtes Kernfusionsprojekt beginnt mit der Montage – BBC News
DOE erklärt…Tokamaks | Energiebehörde
Die Wissenschaft der magnetischen Wiederverbindung | NASA Koronale Massenauswürfe | NOAA / NWS Weltraumwettervorhersagezentrum