Von Punkt A nach Punkt B: Wie erreichen wir einen interstellaren Flug?
Das Universum ist ein ziemlich großer Ort, und der Übergang von einem Sternensystem zum nächsten bringt einige ernsthafte astronomische Herausforderungen mit sich!
Zu einem anderen Stern in unserer Galaxie reisen, ein anderes Planetensystem finden und vielleicht sogar dort Leben finden. Dies ist seit Jahrhunderten der Traum von Wissenschaftlern, Futuristen und Träumern. Aber es war erst im letzten Jahrhundert oder sodass die Menschen dies als ernsthafte Möglichkeit betrachten konnten.
Und während wir noch weit davon entfernt sind, uns zu anderen Sternensystemen zu wagen, kommen wir uns näher. In den letzten Jahren haben es nicht ein, sondern zwei Roboter-Raumschiffe geschafft, sich über unser Sonnensystem hinaus in den interstellaren Raum zu wagen.
Dies sind die Voyager 1 und 2 Sonden, die in den 1970er und 1980er Jahren das äußere Sonnensystem erforschten und 2012 bzw. 2018 in das interstellare Medium eintraten. In nicht allzu ferner Zukunft werden zwei weitere Raumschiffe hinzukommen Pionier 10 und 11 .
Künstlerische Darstellung der Voyager Golden Record, die beide Sonden in den Weltraum begleitete. Bildnachweis: NASA
Es wird jedoch viele tausend Jahre dauern, bis diese Raumschiffe einen der Sterne erreichen, die unserem Sonnensystem am nächsten liegen. Gleiches gilt für alle Raumschiffe, die in den letzten Jahren von der Erde gestartet wurden. Neue Horizonte Mission, die 2006 von der Erde aus gestartet wurde und 2015 ihren historischen Vorbeiflug mit Pluto erreichte.
Seitdem war es das erste Raumschiff, das sich mit einem Kuiper Belt Object KBO - bekannt als Ultima Thule 2014 MU69 - traf, und das fünfte, das die notwendige Fluchtgeschwindigkeit erreichte, um das Sonnensystem zu verlassenÜberschrift wird geschätzt, dass das Raumschiff Erreichen des interstellaren Raums bis 2040 .
Aber wie seine interstellaren Kollegen wird es für Tausende von Jahren kein anderes Sternensystem erreichen. Selbst wenn wir morgen ein Raumschiff mit unserer modernsten Antriebstechnologie starten würden, würde es noch viele Jahrhunderte oder Jahrtausende dauernschaffte es zum nächsten Sternensystem.
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Unsere nächsten kosmischen Nachbarn :
Der Stern, der unserem Sonnensystem am nächsten liegt, ist Proxima Centauri, ein Hauptsequenzstern vom Typ M Roter Zwerg, ungefähr 4,24 Lichtjahre entfernt. Dieser Stern ist Teil eines Dreifachsternsystems, das auch aus dem Alpha-Centauri-System besteht, das bestehteines Hauptreihensterns vom G-Typ gelber Zwerg ähnlich unserer Sonne und eines Hauptreihensterns vom K-Typ orange Zwerg.
Das Alpha Centauri-System ist nicht nur der nächstgelegene Stern zu unserem eigenen, sondern enthält auch den nächstgelegenen sonnenähnlichen Stern zu unserem eigenen. Der nächstgelegene, Tau Ceti, ist knapp 12 Lichtjahre entfernt, obwohl er der nächstgelegene istSonnenähnlicher Stern für das Sonnensystem. Dieses System hat auch die Ehre, dort zu sein, wo der nächste bestätigte Exoplanet bekannt ist.
Dies ist nichts anderes als Proxima b , ein felsiger Planet, dessen Entdeckung 2016 vom European Southern Observatory angekündigt wurde. Dieser Planet ist mindestens 1,3-mal so massereich wie die Erde und umkreist ihn in einer Entfernung von etwa 0,05 AE von seinem Stern - wodurch er sich in der bewohnbaren Zone des Sterns befindet- und hat eine Umlaufzeit von ca. 11,2 Tagen.
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Seit seiner Entdeckung haben Forscher mehrere Studien durchgeführt, um festzustellen, ob es das Leben unterstützen kann oder nicht. Sie fanden heraus, dass abhängig von der Zusammensetzung der Atmosphäre des Planeten und davon, ob es ein Magnetfeld hat, dort Leben existieren könnte oder nichtForm von Grundorganismen, höchstwahrscheinlich in einem Tagesspiegel gegenüber dem Ozean.
Aus diesem Grund wurden mehrere Vorschläge gemacht, ein Roboter-Raumschiff dorthin zu schicken, mit dem der Planet und seine Atmosphäre untersucht und die Bedingungen an der Oberfläche beurteilt werden können. Einer der Top-Konkurrenten ist Durchbruch Starshot der hofft, in unserem Leben ein Nanotransplantat mit gerichteter Energie und einem Lichtsegel senden zu können.
Künstlerische Darstellung von Proxima b. Bildnachweis: ESO / M. Kornmesser
"Innerhalb unserer Lebenszeiten" ist hier der Schlüsselbegriff. Damit wir Missionen senden können, die es in kurzer Zeit zu den nächsten Sternen schaffen, müssen wir wahrscheinlich unsere Bemühungen auf das Senden von Roboter-Raumfahrzeugen beschränken, oder wirIch muss mir einige sehr ausgefeilte Methoden einfallen lassen oder beides!
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Um es milde auszudrücken, der Raum ist wirklich WIRKLICH groß! Deshalb verwenden wir Einheiten wie Lichtjahre die Entfernung, die Lichtteilchen in einem einzigen Jahr zurücklegen, um die Entfernung zu messen. Und um das in die richtige Perspektive zu rücken, die GeschwindigkeitDie Lichtmenge beträgt 299.792.458 m / s 1.079 Millionen km / h; 670,6 Millionen mph.
Und da das ganze Schneller als Licht FTL Sache ist immer noch völlig spekulativ oder einfach unmöglich wir sind in der Zwischenzeit mit einer kleineren Auswahl an Optionen festgefahren. Also, was sind unsere Optionen? Gibt es eine Möglichkeit, Raumschiffe schnell genug zu machen, um die nächsten Sterne in einem zu bekommenrespektable Zeit, oder müssen wir uns damit zufrieden geben, winzige Robotersonden zu senden, wenn wir "in unseren Leben" von ihnen hören wollen?
Konventionelle Methoden :
Wenn wir von "konventionellen Methoden" sprechen, meinen wir diejenigen, die auf Technologien beruhen, die derzeit existieren und / oder sich als wirksam erwiesen haben. Die offensichtlichste davon sind chemische Raketen, bei denen feste oder flüssige Brennstoffe gezündet werden und die daraus resultierendenDie Verbrennung wird durch Düsen geleitet, um Schub zu erzeugen.
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Zum Beispiel war die Mission New Horizons das schnellste von der Erde abgefeuerte Objekt und erreichte eine Startgeschwindigkeit von 58.500 km / h. Bei dieser Geschwindigkeit gelang es ihr, den Mond zu erreichen - was im Durchschnitt liegtEntfernung von ungefähr 384.400 km 238.850 mi von der Erde - in nur 8 Stunden und 35 Minuten.
Es war jedoch das Helios 2 Mission - 1976 gestartet, um Sonnenprozesse zu untersuchen - die den Rekord für die höchste Geschwindigkeit eines Raumfahrzeugs aufstellte - 240.000 km / h 150.000 mph. Dies wurde mit Hilfe eines Schwerkraftassistenten durchgeführt, bei dem ein Raumfahrzeug die Gravitation nutztKraft eines großen Objekts wie eines Planeten oder eines Sterns, um es herumzuschleudern und einen Geschwindigkeitsschub aufzunehmen.
Aber selbst bei dieser Geschwindigkeit würde es immer noch satte dauern 19.000 Jahre um Proxima Centauri zu erreichen. Ein weiteres Problem ist die Tatsache, dass Raumfahrzeuge, die auf chemische Treibmittel angewiesen sind, ihren Treibstoff sehr schnell verbrauchen, um eine Höchstgeschwindigkeit zu erreichen. Ionenantrieb auch bekannt als the Hall-Effekt-Triebwerk sind viel sparsamer und erreichen die maximale Geschwindigkeit langsamer.
Eine der ersten Missionen, die sich auf einen Ionenantrieb stützten, war die der NASA Deep Space 1 Mission, ein Technologiedemonstrator, der sich 1998 mit dem Asteroiden 9969 Braille und dem Kometen Borrelly traf. DS1 stützte sich auf einen Xenon-Ionenantrieb, der über einen Zeitraum von 20 Monaten eine Geschwindigkeit von 56.000 km / h erreichteh.
Prototyp eines Hall-Effekt-Triebwerks, das im Glenn Research Center der NASA getestet wird. Bildnachweis: NASA
Ionentriebwerke sind daher wirtschaftlicher als Raketentechnologie, da der Schub pro Masseneinheit Treibmittel auch als spezifischer Impuls bezeichnet weitaus höher ist. Es dauert jedoch lange, bis Ionentriebwerke Raumfahrzeuge auf große Geschwindigkeiten und die maximale Geschwindigkeit beschleunigenes kann erreichen, hängt von seiner Kraftstoffversorgung ab und davon, wie viel elektrische Energie es erzeugen kann.
Bei dieser Geschwindigkeit würde ein Raumschiff übernehmen 81.000 Jahre um von der Erde nach Proxima Centauri zu reisen. Wieder einmal ist das eine sehr lange Zeit. Um es in die richtige Perspektive zu rücken: Ein Raumschiff, das sich auf konventionelle Triebwerke stützte, würde über 750 Generationen brauchen, um Proxima Centauri zu erreichen, während eines, das Ionenmotoren verwendete, dies tun würdeüber 3.200 Generationen.
Vergleichen Sie das jetzt mit Missionen mit Besatzung. Die Apollo 10 Raumschiff, das 1969 ohne Landung zum Mond flog, hält den Rekord für die höchste Geschwindigkeit, die ein bemanntes Fahrzeug mit 11,08 km / s 39.888 km / h erreicht. Bei dieser Geschwindigkeit konnte es fahrenes zum Mond in knapp 2 Tagen und 4 Stunden.
Aber um zum nächsten Stern zu gelangen, würde es ungefähr dauern 114.800 Jahre oder ungefähr 4600 Generationen. Diese Art von Niederlage hat den Zweck, eine Mission an ein extrasolares System zu senden, nicht wahr? Als das Raumschiff es erreichte und in der Lage war, Informationen zurückzusenden, jeder, der Zeuge warder Start wäre lange tot.
Das Apollo 10-Befehlsmodul im Orbit des Mondes. Bildnachweis: NASA
Darüber hinaus wäre die Technologie in dieser Zwischenzeit so weit fortgeschritten, dass es wahrscheinlich ist, dass nachfolgende Missionen mit fortschrittlicherer Technologie es zuerst geschafft hätten. Welche Optionen bleiben uns also? Wie überbrücken wir die immense Kluft zwischen unserem Planeten undder nächste extrasolare in einem angemessenen Zeitrahmen?
Mögliche Methoden vorhandene Technologie :
Derzeit gibt es viele Möglichkeiten, ein Raumschiff zu bauen, das bewährte Technologie verwendet, um die Zeit zu verkürzen, die zum Erreichen eines Ziels benötigt wird. Diese Technologien sind günstig, weil sie eine hohe Menge an Möglichkeiten bieten. spezifischer Impuls indem sie die maximale Energiemenge mit minimalen Kosten aus ihrer Kraftstoffquelle extrahieren.
Mit genügend Zeit und Energie kann ein Raumschiff möglicherweise erreichen " relativistische Geschwindigkeiten "ein Bruchteil der Lichtgeschwindigkeit. Wie erwartet sind die Kosten die Hauptbarriere, da keines dieser Konzepte zuvor erstellt wurde und einige ernsthafte technische Maßnahmen erfordern würden, um sie fertig zu stellen.
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Nuclear-Thermal / Nuclear Electric Propulsion NTP / NEC : Der Nuklearantrieb wurde von der NASA und anderen Weltraumagenturen eingehend untersucht, um Langzeitmissionen zum Mars und zu anderen Orten fernab der Erde durchzuführen. Zusätzlich zu einem hohen Maß an Energie, Schub und Brennstoffeffizienz bietet NuklearReaktoren sind eine bewährte Technologie.
Künstlerischer Eindruck eines "bimodalen" nuklearen Raumfahrzeugs. Bildnachweis: NASA
Anwendungen, die den Einsatz von Kernreaktoren erfordern, können in zwei grundlegende Kategorien unterteilt werden: nuklearthermischer Antrieb NTP und kernelektrischer Antrieb NEP. Im ersteren Fall der Zerfall radioaktiver Elemente Uran oderDeuterium wird zum Erhitzen von flüssigem Wasserstoff verwendet, der ihn in ionisiertes Gas Plasma umwandelt, das dann durch Düsen geleitet wird, um Schub zu erzeugen.
Im letzteren Fall wandelt ein Kernreaktor Wärme in elektrische Energie um, um einen Elektromotor anzutreiben. In beiden Fällen würde die Rakete eher auf Kernspaltung oder -fusion als auf chemische Treibmittel angewiesen sein. Diese Verfahren bieten eine Reihe von MöglichkeitenVorteile gegenüber herkömmlichen Methoden, wobei die erste und offensichtlichste die Kraftstoffeffizienz ist.
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Im Vergleich zu chemischen Raketen und Ionenmotoren bieten Kernantriebe eine praktisch unbegrenzte Energiedichte und einen überlegenen Schub, basierend auf der Menge des verwendeten Treibmittels. Dies bietet den zusätzlichen Vorteil, dass weniger Treibmittel transportiert werden muss, was bedeutet, dass das Raumfahrzeug entweder kleiner oder kleiner sein kannhaben mehr Platz für Fracht und andere Annehmlichkeiten.
Obwohl noch nie NTP- oder NEP-Triebwerke als Teil eines Raumfahrzeugs verwendet wurden, wurden verschiedene Designkonzepte vorgeschlagen und einige sogar gebaut und getestet. Diese reichen vom traditionellen Solid-Core-Design - wie dem Kernmotor für Raketenfahrzeuge NERVA - zu fortgeschritteneren und effizienteren Konzepten, die entweder auf einem Flüssigkeits- oder einem Gaskern beruhen.
Die Schlüsselelemente eines NERVA-Festkörper-Kernthermomotors. Bildnachweis: NASA
Trotz dieser Vorteile in Bezug auf Schub und Kraftstoffeffizienz hat das ausgefeilteste NTP-Konzept einen maximalen spezifischen Impuls von 5000 Sekunden 50 kN · s / kg. Basierend auf diesem Schubniveau hat die NASA geschätzt, dass ein Raumschiff benötigt wirdVerwenden Sie diese Methode 90 Tage, um zum Mars zu gelangen, wenn er sich in seiner Umlaufbahn zur Erde am nächsten befindet dh wenn er sich in "Opposition" befindet, was alle zwei Jahre geschieht.
Bereinigt um eine einfache Fahrt nach Proxima Centauri würde eine Atomrakete Jahrhunderte brauchen, um relativistische Geschwindigkeiten zu erreichen. 1000 Jahre um sein Ziel zu erreichen. Atomraketen sind zwar ein solides Mittel zur Erkundung des Sonnensystems, sie sind jedoch bei interstellaren Missionen immer noch begrenzt.
Während die überwiegende Mehrheit der Experimente während des Kalten Krieges stattfand, hat die NASA kürzlich beschlossen, die Technologie durch ihre erneut zu verfolgen. Game Changing Development Program im Marshall Space Flight Center der NASA. Um NTP-Missionskonzepte zu entwickeln, haben sie eine Partnerschaft mit dem in Virginia ansässigen Nukleartechnologieunternehmen geschlossen. BWX Technologies BWXT.
Kernpulsantrieb KKW : Hier ist eine weitere mögliche Antriebsmethode, die auf Kernreaktionen beruht, jedoch in einer viel weniger kontrollierten Form. Einfach ausgedrückt besteht das KKW aus einem großen Raumschiff, das Nukleargeräte nachlässt und zur Detonation bringt. Der Schock wird dann durch in Kernimpulse umgewandeltein "Drücker" -Pad.
Das Konzept wurde ursprünglich 1946 von Stanislaw Ulam vorgeschlagen, einem polnisch-amerikanischen Mathematiker, der am Manhattan-Projekt teilnahm. 1947 führten er und der amerikanische Physiker Frederick Reines die vorläufigen Berechnungen durch.
In den Jahren 1958 und 1963 kamen Ted Taylor vom General Atomics und der Physiker Freeman Dyson vom Institute for Advanced Study der Princeton University zusammen, um ein Projekt zur Entwicklung des KKW zu leiten. Bekannt als Projekt Orion Ziel dieser Bemühungen war es, die Kraft thermonuklearer Explosionen zu nutzen, um einen hohen spezifischen Impuls zu erzeugen.
Obwohl das Design nach modernen Maßstäben kaum elegant ist, besteht der Vorteil darin, dass es theoretisch relativistische Geschwindigkeiten erreichen kann. Schätzungen zufolge könnte es eine Geschwindigkeit von bis zu 5% der Lichtgeschwindigkeit oder 54 Millionen km / h; 33,55 erreichenMillionen Meilen pro Stunde. Bei dieser Geschwindigkeit könnte ein Orion-Raumschiff es in knapp unter Proxima Centauri schaffen. 20 Jahre !
Natürlich hat dieses Design einen großen Nachteil, nämlich seine Größe. Nach Schätzungen von Freeman Dyson im Jahr 1968 Ein Orion-Raumschiff, das Wasserstoffbomben zur Erzeugung von KKW verwendete, würde 400.000 bis 4.000.000 Tonnen wiegen. Mindestens drei Viertel dieses Gewichts bestehen aus Atomsprengköpfen, die jeweils etwa 1 Tonne wiegen.
Künstlerische Darstellung eines Orion-Raumfahrzeugs. Bildnachweis: bisbos.com/Adrian Mann
Nach den konservativsten Schätzungen von Dyson würde der Bau des Raumfahrzeugs 1968 etwa 367 Milliarden US-Dollar kosten. Inflationsbereinigt entspricht dies etwa 2,6 Billionen US-Dollar, was über 75% der Einnahmen der US-Regierung für 2019 entspricht.
Es gibt auch das Problem der gesamten Strahlung und des Atommülls, die dieses Raumschiff hinterlassen würde. Aus diesem Grund wurde das Projekt möglicherweise 1963 eingestellt. Im selben Jahr wurde das Vertrag über das Verbot von Teilprüfungen wurde verabschiedet, um Atomtests und Ausfälle in der oberen Atmosphäre des Planeten zu begrenzen.
Fusionsrakete : Eine andere Möglichkeit, die auf Kernkraft beruht, sind Raketen, die thermonukleare Reaktionen nutzen, um Schub zu erzeugen. In diesem Fall werden Deuterium- und Helium-3-Pellets durch Elektronenstrahlen bis zu dem Punkt komprimiert, an dem eine Fusionsreaktion auftritt.Energieplasma, das durch Magnetdüsen fokussiert würde, um Schub zu erzeugen.
Wie Atomraketen hat auch dieses Konzept die Vorteile der Kraftstoffeffizienz und des spezifischen Impulses. Es werden Abgasgeschwindigkeiten von bis zu 10.600 km / s 38 Millionen km / h geschätzt, was weit über der Geschwindigkeit herkömmlicher Raketen liegtRaketen. Ebenso wie Atomraketen wurde die Technologie eingehend untersucht und möglicherweise wurden in den letzten Jahrzehnten Vorschläge gemacht.
Künstlerische Darstellung des Raumfahrzeugs Project Daedalus neben der Saturn V-Rakete. Bildnachweis: Adrian Mann
Zwischen 1973 und 1978 die British Interplanetary Society führte eine Machbarkeitsstudie durch, bekannt als Projekt Daedalus . Diese Studie forderte die Schaffung eines zweistufigen unbemannten Raumfahrzeugs auf der Grundlage des aktuellen Wissens und der Technologie, das die Reise zum Barnard's Star 5,9 Lichtjahre von der Erde entfernt in einem einzigen Leben ermöglichen würde.
Die größere erste Stufe würde 2,05 Jahre lang arbeiten und das Raumschiff auf 7,1% der Lichtgeschwindigkeit beschleunigen 0,071. c .Diese Stufe würde dann abgeworfen und die kleinere zweite Stufe würde das Raumschiff auf etwa 12% der Lichtgeschwindigkeit 0,12 beschleunigen. c über einen Zeitraum von 1,8 Jahren.
Der Motor der zweiten Stufe würde dann abgestellt und das Schiff würde 46 Jahre lang mit dieser Geschwindigkeit fahren. Insgesamt würde die Mission 50 Jahre dauern, um Barnards Stern zu erreichen. Bereinigt um Proxima Centauri könnte dieselbe Art von Raumschiff hergestellt werdendie Reise in 36 Jahre .
Natürlich identifizierte das Projekt auch zahlreiche Stolpersteine, von denen die meisten noch ungelöst sind. Zum Beispiel gibt es die Tatsache, dass Helium-3 auf der Erde knapp ist. was bedeutet, dass es anderswo abgebaut werden müsste - beispielsweise auf dem Mond oder im äußeren Sonnensystem.
Künstlerische Darstellung eines Ikarus-Raumfahrzeugs. Bildnachweis: Ikarus International / Adrian Mann
Zweitens müsste die Fusionsreaktion, die das Raumschiff antreibt, die Energie, die zum Auslösen der Reaktion verwendet wird, bei weitem überschreiten. Und obwohl die Experimente hier auf der Erde erhebliche Fortschritte gemacht haben, sind wir noch weit von dem Punkt entfernt, an dem die erzeugte Energie sein würdeausreichend.
Drittens gibt es die bloßen Kosten für den Bau eines solchen Schiffes. Selbst nach konservativsten Schätzungen könnte ein vollgetanktes Daedalus-Raumschiff bis zu 60 Milliarden Tonnen 66 Milliarden US-Tonnen wiegenDas Bruttogewicht des Space Launch System SLS der NASA beträgt etwas mehr als 30 Millionen Tonnen 33 Millionen US-Tonnen.
Basierend auf früheren Schätzungen kostet ein einzelner Start der SLS etwa 5,46 Milliarden USD. Wenn Sie für ein 2000-mal so massives Schiff extrapolieren, erhalten Sie eine Baseball-Zahl von 10,92 Billionen US-Dollar. Kurz gesagt, eine Fusionsrakete wärebeides ist unerschwinglich teuer und erfordert ein Niveau an Fusionsreaktortechnologie, das derzeit außerhalb unserer Möglichkeiten liegt.
Ikarus interstellar eine internationale Organisation freiwilliger Bürgerwissenschaftler von denen einige für die NASA oder die ESA gearbeitet haben hat seitdem versucht, das Konzept mit neu zu beleben Projekt Ikarus . Die 2009 gegründete Gruppe hofft, im Laufe des 21. Jahrhunderts Fusionsantriebe und andere fortschrittliche Antriebskonzepte möglich zu machen.
Fusion Ramjet : Dieses Konzept, auch als Bussard Ramjet bekannt, weist einige Ähnlichkeiten mit Project Daedalus und Icarus auf. Auch hier würde das Raumschiff Schub erzeugen, indem Wasserstoffbrennstoff bis zur Fusion komprimiert wird. Im Gegensatz zu anderen Fusionsraketen wurde der Bussard Ramjet jedoch entwickeltStellen Sie Ihren eigenen Kraftstoff bereit, indem Sie ihn aus dem Interstellaren Medium ISM schöpfen.
Künstlerkonzept eines Bussard Ramjet. Bildnachweis: Adrian Mann
Dies geschieht über ein riesiges elektromagnetisches Feld, das während der Fahrt Schiff sammelt. Die Beschleunigung zwingt diesen Wasserstoff in ein zunehmend engeres Magnetfeld, komprimiert ihn bis zur thermonuklearen Fusion und leitet ihn dann durch Düsen, um einen Antrieb zu erzeugen.
Der Hauptvorteil dieses Designs besteht darin, dass kein Kraftstoff benötigt wird, wodurch das Sammeln der enormen Mengen, die für eine interstellare Reise erforderlich sind, entfällt. Die Reaktionsmasse ist auch das häufigste Element im Universum Wasserstoffmacht über 90% der ISM in Bezug auf die Masse aus.
Darüber hinaus wird die größte Einzelquelle für die Masse eines Raumfahrzeugs eliminiert, wodurch Geschwindigkeiten von nahezu 4% der Geschwindigkeit möglich werden. Das Konzept ist jedoch nicht nur sehr kostspielig, sondern weist auch einige wichtige Probleme auf, nicht zuletztdavon ist Drag.
Kurz gesagt, das sehr interstellare Medium, aus dem ein Bussard Ramjet seinen Treibstoff schöpft, verlangsamt ihn ebenfalls, und dies würde sich mit der Beschleunigung des Raumfahrzeugs zunehmend verschlechtern. Außerdem haben Wissenschaftler festgestellt, dass das interstellare Medium deutlich weniger dicht ist alswas 1960 angenommen wurde, als das Konzept erstmals vom Physiker Robert W. Bussard vorgeschlagen wurde.
Generationsschiffe : Eine andere Möglichkeit besteht darin, auf die Idee zu verzichten, schnell zu einem anderen Sternensystem zu gelangen und ein Raumschiff zu entwickeln, das für eine sehr lange Strecke geeignet ist. In diesem Fall müsste das Raumschiff groß genug sein, um eine Besatzung von a aufzunehmeneinige hundert oder einige tausend im Laufe mehrerer Generationen.
Das erste aufgezeichnete Beispiel für dieses Konzept stammt von dem amerikanischen Raketenpionier Robert H. Goddard, nach dem das Goddard Space Flight Center der NASA benannt ist. In seinem Aufsatz von 1918: „ Die ultimative Migration “, beschrieb er eine„ interstellare Arche “kryogen gefrorener Passagiere, die das Sonnensystem nach dem Tod der Sonne verlassen.
Goddard empfahl, für den Fall, dass die Atomenergie nicht für den Antrieb eines solchen Raumfahrzeugs genutzt werden könnte, eine Kombination aus Wasserstoff und Sauerstoff sowie Sonnenenergie zu verwenden. Er stellte sich vor, dass diese ausreichen würden, um das Schiff zu erhaltenbis zu Geschwindigkeiten von 4,8 bis 16 km / s 3 bis 10 mi / s - ungefähr 57.936 km / h 36.000 mph.
Er stellte sich auch vor, dass die Besatzung in Stasis bleiben würde, wenn der Pilot in Abständen geweckt würde, um das Schiff zu steuern :
"Dies erfordert natürlich zunächst einen sehr großen Apparat, sofern die Sonnenenergie nicht über einen längeren Zeitraum genutzt werden kann, um die Geschwindigkeit zu erhöhen, indem entweder das Sonnensystem von Ende zu Ende durchquert wird und so weit wie möglich von derSonne wie möglich oder nach außen spiralförmig, bis eine ausreichende Geschwindigkeit erreicht ist.
"Der Pilot sollte in Abständen von vielleicht 10.000 Jahren für einen Durchgang zu den nächsten Sternen und 1.000.000 Jahren für große Entfernungen oder für andere Sternensysteme geweckt oder animiert werden. Um dies zu erreichen, sollte eine Uhr durch eine Änderung betrieben werdenEine Strahlungssubstanz sollte im Gewicht und nicht durch elektrische Ladungen, die zu schnelle Wirkungen hervorrufen verwendet werden ... Dieses Erwachen wäre natürlich notwendig, um den Apparat zu steuern, wenn er vom Kurs abweicht. "
Künstlerkonzept eines Enzmann-Raumschiffs, ein 1964 vorgeschlagenes Fusionsraketenkonzept. Bildnachweis: Rick Sternbach
Es folgte Konstantin E. Tsiolkovsky oft als "Vater der Raumfahrt" bezeichnet, der 1928 in seinem Aufsatz "Die Zukunft der Erde und der Menschheit" über eine "Arche Noah" schrieb. In Tsiolkovskys Version diese Raumschiffewäre autark und die Besatzungen würden in einem wachen Zustand gehalten, bis sie Tausende von Jahren später ihr Ziel erreichten.
1964 schlug Dr. Robert Enzmann das bislang detaillierteste Konzept für ein Generationsschiff vor. Bekannt als " Enzmann Raumschiff ", der Vorschlag sah ein Schiff mit Deuteriumantrieb vor, das 600 Meter lang sein und eine anfängliche Besatzung von 200 Personen mit Raum für Erweiterungen unterstützen sollte.
Während dieses Konzept Planer von der Entwicklung eines schnellen Transportmittels befreit, weist es eine Reihe von Nachteilen auf. Diese wurden in einer Reihe von Studien 2017-2019 angesprochen, die von Dr. Frederic Marin vom durchgeführt wurden. Astronomisches Observatorium von Straßburg mit maßgeschneiderter numerischer Software genannt ERBE .
Zum Beispiel führten Dr. Marin und Kollegen in den ersten beiden Studien Simulationen durch, die zeigten, dass a Mindestbesatzung 98 max. 500 müsste gekoppelt werden mit eine kryogene Bank von Sperma, Eier und Embryonen um genetische Vielfalt und Gesundheit bei der Ankunft zu gewährleisten.
Das Innere einer in sich geschlossenen Weltraumkolonie. Bildnachweis: Rick Guidice
In der dritte Studie , Dr. Marin und eine andere Gruppe von Wissenschaftlern stellten fest, dass das Schiff, das sie befördert, eine Länge von 320 Metern haben muss. 224 Meter 735 Fuß im Radius und enthalten 450 m² ~ 4.850 Fuß² künstliches Land, um genügend Nahrung anzubauen, um sie zu ernähren.
Wie viele andere hier vorgestellte Konzepte wäre der Bau eines Schiffes dieser Größe unerschwinglich teuer. Es wäre auch sehr schwierig, sich um die Bedürfnisse einer Besatzung zu kümmern, die zu Hunderten zählt. Neben Nahrung und Wasser gibt es auch dieFrage der Erhaltung ihrer psychischen Gesundheit.
Es besteht auch die Möglichkeit, dass, während dieses Schiff Jahrhunderte oder länger braucht, um zu einem anderen Sternensystem zu gelangen, andere, schnellere Antriebsmittel erfunden wurden. Während also eine Besatzung mit mehreren Generationen zu einem nahe gelegenen Stern reist, eine andere Missionwird es überholen können.
Antrieb mit gerichteter Energie : Sonnensegel oder leichte Segel gelten seit langem als kostengünstige Methode zur Erkundung des Sonnensystems. Anstatt sich auf Raketen oder Treibmittel zu verlassen, ist ein Segel auf den Strahlungsdruck eines Sterns angewiesen, um eine große reflektierende Oberfläche zu erreichenhohe Geschwindigkeiten. Der offensichtliche Vorteil eines solchen Systems besteht darin, dass es leicht ist und keinen Kraftstoff benötigt.
Künstlerische Darstellung von Breakthrough Starshot. Credit: Breakthrough Initiatives
Bei interstellaren Missionen müsste das Segel jedoch durch fokussierte Strahlen gerichteter Energie dh Laser oder Mikrowellen beschleunigt werden, um eine Geschwindigkeit zu erreichen, mit der es in angemessener Zeit zu einem nahe gelegenen Sternensystem gelangen könnte.Das Konzept wurde ursprünglich vorgeschlagen von Robert Forward 1984 wer war Physiker an der Forschungslaboratorien von Hughes Aircraft zu der Zeit.
Ähnlich wie ein Sonnensegel profitiert ein interstellares Lichtsegel von der Tatsache, dass es keinen Treibstoff enthält, aber auch von der Tatsache, dass sich die Laserenergie mit der Entfernung nicht annähernd so stark auflöst wie die Sonnenstrahlung. Die Beschleunigung würde also einige Zeit dauernein lasergetriebenes Segel, das über große Entfernungen beschleunigen könnte.
1999 Geoffrey A. Landi durchgeführt a Phase-I-Konzeptstudie für die NASA-Institut für fortgeschrittene Konzepte NAIC über die Möglichkeit eines lasergeschobenen Lichtsegels. Das Konzept würde aus einem Segel bestehen, das aus dielektrischen Dünnfilmen besteht, die auf Geschwindigkeiten von bis zu beschleunigt werden. 30.000 km / s oder 10% der Lichtgeschwindigkeit 0,1 c .
Ein solches Raumschiff wäre ideal für "Missionen mit schnellem Transit zu den äußeren Planeten, Kuiper- und Oort-Wolkenmissionen und interstellare Vorläufermissionen". Ein Raumschiff dieses Typs wäre für eine Mission nach Proxima Centauri geeignetdie Reise in etwa machen 43 Jahre
Künstlerische Darstellung eines Lichtsegels, das von einem Funkstrahl rot angetrieben wird, der auf der Oberfläche eines Planeten erzeugt wird. Bildnachweis: M. Weiss / CfA
Eine andere Version wurde in a vorgeschlagen 2000 Studie von Robert Frisbee, Direktor für fortgeschrittene Antriebskonzeptstudien am Jet Propulsion Laboratory der NASA. Gemäß seiner Variation könnte ein Lichtsegel mit einem Durchmesser von 320 km auf 200 auf 35 beschleunigt werden. c und würde die Reise in etwas mehr machen 12 Jahre .
In der Zwischenzeit konnte ein Segel mit einem Durchmesser von etwa 965 km beschleunigt werden. 0,47c und machen Sie die Reise in unter 9 Jahre . Laut Frisbees eigener Studie würden die Laser jedoch einen konstanten Strom von 17.000 Terawatt Leistung benötigen - nahe dem, was die ganze Welt an einem einzigen Tag verbraucht!
In den letzten Jahren wurde das Konzept des Lichtsegels aktualisiert und neue Varianten vorgeschlagen. Im April 2016 startete der russische Milliardär Yuri Milner. Durchbruch Starshot , ein Programm zur Erstellung eines von Lichtsegeln angetriebenen „Wafercrafts“ genannt StarChip , die die Reise nach Proxima Centauri in unserem Leben machen würde.
Durch die Nutzung der Fortschritte bei der Miniaturisierung wäre das Raumschiff selbst nicht größer als ein Smartphone oder eine Kreditkarte und würde mit winzigen Sensoren, einem Leit- und Navigationssystem und winzigen Triebwerken übersät sein. Dieses Fahrzeug würde dann von einem großen Licht gezogenSegel, das durch ein erdbasiertes Laserarray beschleunigt würde.
Bei einer maximalen Geschwindigkeit von ca. 60.000 km / s 37.282 mps - oder 20% der Lichtgeschwindigkeit 0,2 c - das Fahrzeug könnte in nur wenigen Jahren die Reise nach Proxima Centauri antreten. 20 Jahre . Wie Prof. Abraham Loeb, der Frank B. Baird-Professor für Physik an der Harvard University und Vorsitzender des Starshot Advisory Committee kürzlich in einem Interview mit sagte SciTech Europa Quarterly :
"Die einzige Methode, die möglicherweise machbar schien, als wir diese Herausforderung zum ersten Mal in Betracht zogen, war die Lichtsegeltechnologie, bei der Sie anstelle von Treibstoff einen leistungsstarken Laser verwenden, um gegen ein leichtes Segel zu drücken. Wir haben den Umfang für diese etwa sechs festgelegtMonate später stellten wir fest, dass wir einen sehr leistungsstarken Laser etwa 100 Gigawatt Leistung benötigen würden, der für einige Minuten an das Segel geliefert wird. Wenn das Segel ungefähr ein Gramm wiegt, und die Nutzlast einschließlich Kamera, NavigationGerät und Kommunikationsgerät wiegt ungefähr ein Gramm, dann ist es möglich, ein Fünftel der Lichtgeschwindigkeit zu erreichen, indem man mit dem Laser auf das wenige Meter große Segel drückt. "
Ein ähnliches Missionskonzept ist bekannt als Projekt: Libelle das auch auf ein lasergesteuertes Lichtsegel angewiesen wäre, um relativistische Geschwindigkeiten zu erreichen. Im Gegensatz zu Starshot sieht das Dragonfly-Konzept jedoch ein wesentlich schwereres Raumschiff vor, damit mehr wissenschaftliche Instrumente einbezogen werden können. Das Raumschiff würde auch ein Magnetsegel tragenverlangsamen Sie es bei der Ankunft in Proxima Centauri.
Beide Konzepte waren das Ergebnis derselben Konzeptentwurfsstudie, die von durchgeführt wurde. Initiative für interstellare Studien i4iS im Jahr 2013. Dragonfly und Starshot waren die beiden Top-Designs und wurden bei einem Workshop im mit zwei weiteren Finalisten vorgestellt. British Interplanetary Society im Juli 2015.
Das Dragonfly-Konzept hat gewonnen und das Team dahinter von der Technische Universität München dann gestartet a Kickstarter-Kampagne um Geld für ihr Design zu sammeln. In der Zwischenzeit entwickelte sich das vom Team der University of California in San Diego eingereichte Design zum Design für Breakthrough Starshot.
Theoretische Methoden :
Abgesehen von Ideen, die auf leicht verfügbaren oder getesteten Technologien beruhen, gibt es auch solche, die Methoden beinhalten, die entweder nicht bewiesen sind oder sich noch im Bereich der Theorie befinden. Diese Methoden sind im Großen und Ganzen die Befürworter von interstellaren BesatzungenDie Hoffnungen der Raumfahrt sind groß, vor allem, weil es keine erschwinglichen Mittel gibt, um Menschen innerhalb eines einzigen Lebens zum nächsten Stern zu schicken ... noch nicht!
Antimaterie-Raketen : Einfach ausgedrückt besteht Antimaterie aus Antiteilchen, die die gleiche Masse, aber entgegengesetzte Ladung wie normale Teilchen haben. Wenn Kollisionen zwischen Materie und Antimaterieteilchen auftreten, vernichten sie sich gegenseitig und setzen eine erhebliche Menge an Energie frei.
