Meinen letzten Blogeintrag habe ich damit beendet, dass man eine Raumsonde zum nächsten Stern, Alpha Centauri, schicken könnte. Ich möchte einmal in etwas mehr als ein paar Sätzen beschreiben, was dazu nötig wäre, was geht und was nicht.

In dem Blog “Was geht mit Raketentriebwerken” habe ich schon beschieben,  wie schnell man mit einem Raketentriebwerk werden kann. Das wichtigste Kriterium ist dabei immer die Geschwindigkeit der Abgase.

Die Jagd nach höherem spezifischen Impuls

Der Schlüssel zu hohen Geschwindigkeiten liegt also darin, den Treibstoff mit möglichst hoher Geschwindigkeit auszustoßen. Normale Raketentriebwerke stoßen da schnell an ihre Grenzen. Alles was sie haben um ihren Treibstoff zu beschleunigen, ist eine chemische Reaktion, bei der nur begrenzt viel Energie frei wird. Aber um so höher die Geschwindigkeit die man erreichen will, um so mehr Energie braucht man, um ein Kilogramm des Treibstoffs so hoch zu beschleunigen.

Das Verhältnis ist quadratisch. Die Zehnfache Geschwindigkeit braucht Hundert mal so viel Energie. Deswegen lassen sich normale Raketentriebwerke auch nicht mehr substantiell verbessern. Man kann sie noch leichter und billiger bauen, aber nicht mehr extrem viel besser. Die maximale Geschwindigkeit ist einfach durch die Energie bei der Verbrennung begrenzt.

Ein besseres Triebwerk für ein schnelleres Raumschiff muss also ganz anders funktionieren. Anders als beim klassischen Triebwerk, kann die Energie zur Beschleunigung des Treibstoffs nicht aus der Verbrennung des Treibstoffs selbst kommen, man braucht eine andere Energiequelle.

So lange man sich in der Nähe der Sonne aufhält, kann man Solarzellen nutzen um Strom zu gewinnen. Mit Strom kann man elektrische Felder erzeugen und mit denen kann man geladene Teilchen beschleunigen. Dazu braucht man nur ein Gas, das man ionisiert und durch die elektrischen Felder jagt. (In einem Ionisierten Gas fehlen einigen Atomen ein paar Elektronen. Damit sind sie elektrisch geladen.) Man baut also einen kleinen Teilchenbeschleuniger. Freilich einen, bei dem die Teilchen nur etwa ein Milliardstel der Energie der Protonen im LHC haben. Aber auch diese Energie reicht bei aktuell gebräuchlichen Ionentriebwerken aus für eine Geschwindigkeit von 20-50km/s. Raumsonden wie Smart-1, Hayabusa oder Dawn haben davon reichlich gebrauch gemacht.

Der Nachteil dieser Triebwerke ist nur, dass sie sehr wenig Schub liefern. Das liegt bei den gebräuchlichen Triebwerken daran, dass man nicht zu viele Teilchen auf einmal durch die Gitter jagen kann, zwischen denen das elektrische Feld aufgebaut wird. Denn die Teilchen müssen zwischen den Gitterstreben hindurch. Wenn sie ständig auf die Streben treffen würden, würde sich das Triebwerk mit der Zeit selbst zerstören. Der Schub den man damit erreichen kann, liegt im Bereich von einigen 100 Millinewton.

Mit 100 Millinewton braucht man über eine viertel Stunde (1000 Sekunden) um eine 100kg schwere Raumsonde um 1m/s (3,6km/h) zu beschleunigen. Mit viel Geduld kann man trotzdem sehr hohe Geschwindigkeiten zu erreichen. Ein Jahr hat über 8000 Stunden. Wenn man das Triebwerk bei diesen Verhältnissen ein Jahr laufen ließe, würde man 32km/s erreichen. Die meisten Raumsonden sind aber noch schwerer und beschleunigen noch langsamer.

Zum Glück ist die Entwicklung dort noch nicht am Ende. Aus der Forschung an Fusionsreaktoren hat man viel im Umgang mit Plasma gelernt – und um Plasma (also ionisiertes Gas) geht es bei diesen Triebwerken. Durch bessere Anordung der Beschleunigungsgitter, oder die Nutzung magnetischer Spiegel wie beim VASIMR Triebwerk, kann man diese Begrenzungen umgehen. Aber kaum hat man eine Grenze beim Triebwerk beseitigt, kommt die nächste beim…

Energieverbrauch

Die neuen Triebwerke können statt 20-50km/s auch Ausströmgeschwindigkeiten von 200km/s erreichen. Damit bewegen wir uns im Bereich von knapp 0,1% der Lichtgeschwindigkeit. Diese Geschwindigkeit brauchen wir, um das im letzten Blog gesteckte Ziel zu erreichen.

Aber zuvor sollten wir uns Gedanken über den Energieverbrauch machen. Es sollte offensichtlich sein, dass man für hohe Geschwindigkeiten viel Energie braucht. Die Energie die man braucht um ein Gramm Treibstoff zu beschleunigen wächst quadratisch mit der Ausströmgeschwindigkeit. Der Schub wächst aber auch, allerdings nur linear. Mit der zehnfachen Ausströmgeschwindigkeit braucht man hundert mal so viel Energie, bekommt aber nur den zehnfachen Schub dafür. Während die alten Triebwerke noch mit 2-4 kW auskam, verbrauchen die neuen 100kW und mehr. Natürlich könnte man die neuen Triebwerke auch einfach mit weniger Leistung betreiben, aber dann hätten sie auch viel weniger Schub um wir erreichen niemals die hohen Geschwindigkeiten die wir brauchen.

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Kommentare (21)

  1. #1 Ludger
    10. Mai 2015

    Schade, dann wird es mit der Story von Mary Doria Russell, “Sperling” und Folgeroman “Gottes Kinder”, die ja schon im Jahr 2919 beginnt, doch nichts werden.

  2. #2 A-P-O
    10. Mai 2015

    Ausgesprochen interessant, sehr gut geschrieben!
    Ich denke, dass es nur Wenigen bewusst ist, welche Probleme ein entsprechend schneller Antrieb bereitet und welche technischen Einschränkungen hierbei existieren.

    Kennst du die Nachrichten über den electromagnetic propulsion drive?
    http://goo.gl/DjW7hE
    Einerseits liest man, dass ein solcher Antrieb den Impulserhaltungssatz verletzen würde, andererseits scheint die NASA ernsthaft daran zu arbeiten.

    • #3 wasgeht
      10. Mai 2015

      Ich kenn die Nachrichten. Ich glaube auch, dass es ohne Luft funktioniert. Aber ich glaube noch nicht, dass es auch ohne die Vakuumkammer und dem ganzen Rest drumrum funktionert.

  3. #4 Claus Bertow
    10. Mai 2015

    Was ist mit dem nuklearen Pulsantrieb?

    • #5 wasgeht
      10. Mai 2015

      Zu dieser gloriosen Idee gibt es irgendwann einen Blogpost. Ist, glaube ich, ohnehin unvermeidlich. ;) Genauso wie Zubrins Salzwasserrakete.

      Aber wenn es kommt, wird drin stehen, dass es letztlich nicht prinzipiell besser ist, als der Umweg über Kernreaktor und Ionentriebwerk ist. (Der Pulsantrieb sollte eine Kunststoff/Polyethylen Verpackung um die kleinen Atomsprengköpfe haben. Letztlich hätte dabei der Sprengkopf als Energiequelle und die Verpackung als Treibstoff gedient. Physikalisch kann da also nichts besseres heraus kommen.)

  4. #6 tobalt
    10. Mai 2015

    Der artikel geht für meinen geschmack zu wenig darauf ein dass es zwei getrennte und unabhängige anforderungen gibt.

    1) energie. Die einschlägigen quellen nennst du. Bekäme man kompakte kernenergue in den griff würde das schon mal zu Größenordnungen mehr gereichen als chemische träger wie raketen oder rtgs.

    2) das schwierigerr thema ist die erzeugung des nötigen impulses. Hier fehlt zb die idee einen laser “nach hinten” abzufeuern der impuls erzeugt. Vorteil man benltigt keinen impulstreibstoff, nur energietreibstoff. Dinge wie emdrive sind natürlich toll aber fern von bewiesen.

  5. #7 wasgeht
    10. Mai 2015

    Das mit dem Laser geht zwar im Prinzip, bringt dich aber nicht weiter.

    Um so 100kg Masse auf 1% Lichtgeschwindigkeit zu bringen, brauchst du 90.000 TJ Lichtenergie. 100kg Uran bringen dir aber schon im Höchstfall 8000 TJ Energie. Mit der Nutzung von Reaktionsmasse bist du da in jedem Fall besser dran.

    Käme die Energie von außen, wäre das erstmal egal. Aber auch Laserstrahlen sind nicht wirklich parallel und divergieren mit der Zeit, abhängig davon, wie groß der Laser ist. Ich hatte das irgendwann auch mal ausgerechnet, kann mich aber nicht mehr an die Einzelheiten erinnern. (Grund war Charles Stross’ Buch “Accelerando”, in dem ein per Laser angetriebenes, Coladosen großes Raumschiff mit Lichtsegel eine wichtige Rolle spielte.)

    Jedenfalls war das Ergebnis ein Laser in Planetengröße und mehr. Also doch eher unpraktisch groß.

  6. #8 tobalt
    10. Mai 2015

    Diese Überlegungen kamen mir nach abschicken des posts auch.. hatte es dann im kopf überschlagen und selbst mit kernenergie ist die masse des brennstoffes zu gtoß um den brennstoff zu beschleunigen. Um 10% c zu erreichen brsucht man ein material mit 20.000 TJ pro 1 kg… mir war nicht bewusst dass mein og. Genannter punkt (1) doch so ein gravierendes limit darstellt. Ich hielt den impuls für problematuscher.

    Für halbe Lichtgeschwindigkeit ohne korrektur.. als knapp halbe Lichtgeschwindigkeit bräuchte man schon eine energiedichte von c^2 also Materieannihilation.

    Wieder was gelernt

  7. #9 MartinB
    10. Mai 2015

    @wasgeht
    Das Prinzip mit dem stationären Laser und dem Segel hat Robert Forward im Roman “Flug der Libelle” verwendet – da der nebenbei Wissenschaftler bei der Nasa war und seine Ideen prinzipiell sehr genau ausgearbeitet hat, dürfte das also prinzipiell gehen, oder?

    • #10 wasgeht
      10. Mai 2015

      Möglich aber in absehbarer Zeit nicht Praxisrelevant.

      (Mir fiel auf, dass man mit einem ausreichend großen Spiegel den Laser fokussieren kann, ohne dass der Laser so groß sein muss. Ziemlich dummer Fehler sowas.)

      Fausregel ist, man braucht in sichtbarem Licht 12cm Durchmesser für eine Bogensekunde. 120m für für eine Millibogensekunde etc.

      Eine Bogensekunde hat in einer Lichtsekunde einen Durchmesser von 1,4km. Ein Lichtjahr sind 31mio Lichtsekunden.

      Man muss nicht wirklich nachrechnen um einzusehen, dass die Dimensionen ein wenig gigantisch werden.

  8. #11 Bernd
    11. Mai 2015

    Sehr intressanter Beitrag, aber womöglich hat Stephen Hawking leider recht und die Menschheit wird keine 4000 Jahre auf diesem Level überdauern. Zumindest einmal sollte man es doch ernsthaft Versucht haben was wirklich geht. Das ist selbst wie in diesem Beitrag gezeigt ,doch einiges.
    Eine Idee wolllte ich einwerfen.
    Würde es funktionieren eine Art Teilchenbeschleuniger um den Mondäquator zu bauen und dort ziemlich kleine und robuste Miniatur-Raumsonden in die Tiefen des Alls zu “beschleunigen” ,villeicht sind sogar niedrige Bereiche von c (ca 5%) damit möglich. Moderne Elektronik kann durchaus robust konstruiert werden .1000g Lastvielfache sollten die Bonddrähte der verbauten Elektronik durchaus aushalten können.
    Laserdioden könnten zur Datenübertragung und langfristigen Lageregelung verwendet werden.
    Als Energiequelle sollte auch Betavoltaik etwas intensiver beforscht werden. Insbesondere die Lebensdauer ist noch verbesserungswürdig in diesen Bereich. Persönlich glaube ich nicht daran das der Mensch aus dem Sonnensystem hinauskommt. Aber eine Daten Linkstrecke aus unzähligen winzigen Raumsonden wäre sehr reizvoll.

    • #12 wasgeht
      11. Mai 2015

      Nehmen wir doch die 1000g als Grenze und schauen uns an, was das bringt.
      Der Mond hat etwa 1/4 Durchmesser wie die Erde. Auf der Erde entspricht eine Umlaufgeschwindigkeit von 7,8km/s einer Zentrifugalbeschleunigung von 1g. Mit einem Viertel Durchmesser hätte man mit der gleichen Geschwindigkeit auf dem Mond 4g. Mit der 16-fachen Geschwindigkeit, etwa 120km/s, kämen wir aber schon auf besagte Grenze von 1000g.
      Tut mir leid. Aber das wird nichts werden.

  9. #13 tobalt
    11. Mai 2015

    Ich meinte oben übrigens nicht dass man mit einem laser auf die sonde schießt sondern dass die sonde selbst em wellen aussendet. Und vom rückstoß angwtrieben wird. Aber wie ich nachträglich ausgerechnet habe verbraucht diese methode zuviel energie, sodass die masse der mitgenommenen energieträgrr die endgewchwindigkeit massiv limitirrt. Die laser divergenz spielt aber keine rolle dabei

    • #14 wasgeht
      11. Mai 2015

      Ja. Es gibt zwei Möglichkeiten. Einmal die “Laser ist auf dem Raumschiff” Variante, wo die Divergenz egal ist.

      Und dann die Lichtsegel-des-Raumschiffs-wird-mit-Laser-von-weit-weg-angetrieben Variante. Das spielte die Divergenz des Lasers eine riesengroße Rolle. Denn alles Licht, das an dem Segel vorbei in All geht, ist verschwendet. Und das kann sehr leicht so gut wie alles Licht sein.

  10. #15 Wizzy
    11. Mai 2015

    Nun, man kann allerdings mit dem Treibstoff/Nutzlast-Verhältnis in der Theorie beliebig hoch gehen.
    Wenn der Treibstoff z.B. 99,9% des Anfangsgewichtes ausmacht (schwierig wegen 0,1% = Fusionsreaktor, aber nicht unmöglich – in x-hundert Jahren haben wir vielleicht die Technologie), dann sind 6.9 * 3000 km/s (ggf. mehr, da 3000 km/s nicht die absolute Grenze sind) erreichbar. Das wäre Alpha Centauri in 63 Jahren (im Vorbeiflug, mal kurz Winken aber ohne Abbremsen). Allerdings weiß ich nicht, ob die Materialbelastung durch Strahlung/Staub oder Mikrobrocken innerhalb der Galaxis bei dieser Geschwindigkeit ein größeres oder kleineres Problem darstellt im Vergleich zum Antrieb.

    • #16 wasgeht
      11. Mai 2015

      Ja, ich habe auch kurz überlegt, ob ich noch näher darauf eingehe, zumal es ja immernoch die Möglichkeit gibt mehrere Stufen zu benutzen.

      Aber da ich ja noch nichtmal den Artikel über Raketenstufen geschrieben habe …

  11. #17 Wizzy
    11. Mai 2015

    Außerdem ist die Frage, ob es wirklich so schwierig ist, Wärmeenergie durch Kernfusion oder Materie-Antimaterie-Annihilation in gerichtete mechanische Energie zu überführen. Man muss ja nicht individuelle Teilchen dabei richten, sondern “nur” Strahlung in alle anderen Richtungen als die Rückwärtsrichtung abschirmen.
    Laut Carnot wäre sogar ein Wirkungsgrad von nahezu 100% denkbar (1 Mio. Kelvin Plasma gegen -270 Celsius Weltraum). Allerdings will mir gerade nicht einfallen, wie ein solcher Prozess konkret aussähe ^^.
    Beim “Einfach heiß nach hinten rauslassen” steckt viel Energie im entlassenen Stoff, wenn ich mir das grob überlege.

    • #18 wasgeht
      11. Mai 2015

      Soweit es um geladene Teilchen geht, was vor allem bei der Kernspaltung so ist, kann man Magnetfelder benutzen um die Flugrichtung zu beeinflussen.

      Mit Gamma-Strahlung (z.B. aus Antimaterie) sieht das ganz anders aus. Man kann sie nicht wie Licht einfach reflektieren und wenn sie einigermaßen angemessen stark ist, dann würde ein Absorbieren eher in das vollständige Auflösen des Materiales hinaus laufen.

      Das gleiche Problem hätte eine Kraft-Wärme-Maschine ab einer gewissen Temperatur. Es gibt einfach kein Material das nicht verdampfen würde. :)

  12. #19 Wizzy
    11. Mai 2015

    @#18 Ja, danke. Also kommt man doch nicht höher als der Wirkungsgrad eines klassischen Reaktors (grob 1/3). Dort absorbiert man ja auch viel der Gamma-Strahlung. Ich nehme an die sekundäre Wärmestrahlung nach überall hin abzuschirmen außer in Rückwärtsrichtung bringt da keinen großen Gewinn. Außerdem ist ein Fusions-Reaktor mit Graphit/Wolframwand halt ein klein wenig massiv. Dann auch noch für 0,1% der Masse eines Raumschiffes ^^

    • #20 wasgeht
      11. Mai 2015

      Der Wirkungsgrad im Weltraum ist eher eine Frage davon, wieviel Masse es kostet Radiatoren mit zu schleppen, die die Wärme in das Weltall abstrahlen können.

      Der Reaktor an sich ist relativ kompakt, so dass man eher den Kompromiss eingeht, einen Reaktor mit höherer Leistung und dafür einen Generator mit niedrigem Wirkungsgrad (und weniger Radiatorfläche) zu verwenden.

  13. #21 Wizzy
    11. Mai 2015

    @wasgeht Danke sehr, dieser Umstand ist ebenfalls sehr interessant!