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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