Beschleunigung im Raum

Der beste Weg, um Masse zu sparen, besteht darin, das Schiff mit externer Energie zu beschleunigen.

Robert L Forward hatte ein mehrstufiges Lichtsegel entworfen, das es Schiffen ermöglichte, zu beschleunigen und dann durch Abtrennen von Teilen des Segels und Verwenden davon, um Laserenergie zurück zum Raumschiff zu reflektieren, am Zielstern abzubremsen. Der Nachteil ist, dass lasergetriebene Lichtsegel immer noch ziemlich massiv sind und die Menge an Laserenergie, die zum Antrieb des Raumschiffs benötigt wird, in Terrawatt gemessen wird . Allein der Bau des Laserwerfers ist ein riesiges Unterfangen (normalerweise beschrieben als Bau eines Rings aus Solarenergiesatelliten und Lasern in einer polaren Umlaufbahn um Merkur), gigantische Fokussierlinsen mit einem Durchmesser von über tausend Kilometern im äußeren Sonnensystem und dann das Raumschiff selbst.

Da ein Generationsschiff zwangsläufig größer ist als ein Erkundungsraumschiff, wie das von Froward vorgeschlagene, müssen Sie die Dinge erheblich vergrößern. (Realistisch gesehen, wenn Sie ein Schiff auf die Geschwindigkeit beschleunigen können, die Forward in Betracht zieht, dann ist es nicht wirklich ein Generationenschiff, aber da es Jahrhunderte dauern kann, Kolonien im neuen Sternensystem zu bauen, ist es wahrscheinlich ein Konstrukt in der Größe eines Generationenschiffs als Basis zum Leben und Arbeiten benötigt, bis neuer Kolonieraum geschaffen wird. NextBigFuture veröffentlichte eine interessante Spekulation über " Tabby's Star ", die darauf hindeutete, dass ein umlaufender Spiegel von der Größe der Umlaufbahn des Mondes um die Erde Monster-Lichtsegel antreiben könnte.

Wenn ein Lichtsegel nicht Ihr Ding ist, könnte vielleicht ein gigantischer Massenantrieb verwendet werden, um das Raumschiff zu beschleunigen. Die Verzögerung kann auf verschiedene Weise erfolgen, darunter eine Rakete, ein Magsegel oder der Einsatz eines Lichtsegels, um die Energie des Zielsterns zu nutzen. Noch einmal. Wir sprechen von einem monströsen Gerät. Marshal Savage hat in seinem Buch „ The Millenial Project “ so etwas konzipiert und ein System beschrieben, das sich über das Sonnensystem erstreckte . Ein Grund, es so groß zu machen, besteht darin, die Beschleunigung auf eine vernünftige Grenze zu halten (3 g ist ungefähr das Beste, was ein ungeschützter Mensch aushalten kann, trainierte Piloten mit G-Anzügen können bis zu 9 g aushalten, für eine anhaltende Beschleunigung über diese Grenze hinaus müssen Menschen möglicherweise sein Flüssigkeit eingetaucht sind und alle Innenräume mit sauerstoffhaltigen Fluorkohlenwasserstoffen gefüllt sind).

Noch einmal, die Verwendung hoher Anfangsbeschleunigungen ermöglicht es dem Schiff, die interstellare Entfernung in Jahrzehnten statt in Jahrhunderten zu überqueren, sodass der Vorteil eines großen Schiffes darin besteht, bei der Ankunft als Unterschlupf und Arbeitsplatz zu dienen. Generationen von Kolonisten müssen möglicherweise an Bord des Schiffes bleiben, bis ein Kolonieplanet terraformiert ist.

• Lichtsegel , möglicherweise angetrieben von einem Laserstartsystem.
• Varianten wie ein Magnetsegel .
• Bussard Ramjets .
• Akzeptieren Sie, dass Sie Kraftstoff oder Reaktionsmasse für die Beschleunigung/Verzögerung benötigen , und planen Sie dies ein. Nehmen Sie einen sehr effizienten Treibstoff wie Antimaterie und/oder nehmen Sie einen langen Flug in Kauf.

Was auch immer Sie tun, eine wissenschaftlich fundierte Lösung hat eine winzige Nutzlast und einen astronomischen Preis.

Eine Rakete beschleunigt im Weltraum. Schwung des heißen Gases hinten raus = Vorwärtsschwung. Ändern Sie die Brennrate und Sie ändern den Impuls (dh beschleunigen). Außerdem ändert sich die Masse der Rakete, wenn Treibstoff verbrannt wird, sodass die Rakete bei einer konstanten Verbrennungsrate natürlich beschleunigt.

Der Impuls eines geschlossenen Systems bleibt immer erhalten, es sei denn, es gibt eine äußere Kraft.

Betrachten Sie die Masse der Rakete zusammen mit ihrem Treibstoff bei$t_0$sein$M_0\,.$Lassen Sie das Gas ausgestoßen werden$\dot m\,.$Daher wird die Masse der Rakete zusammen mit ihrem Treibstoffrest nach einem infinitesimalen Inkrement$\mathrm dt$ist gegeben als

$$M(t_0+ \mathrm dt) = M_0 - \dot m~\mathrm dt\,.$$

Linear-Impuls zur Zeit$t$ist$(M_0-\dot m~\mathrm(t-t_0) )\mathbf v\,.$

Wenden wir die Erhaltung des linearen Impulses an, erhalten wir

$$\begin{align}(M-\dot m~\mathrm dt)\mathbf v_\textrm{rocket w.r.t. ground} + (\dot m~\mathrm dt)\mathbf v_\textrm{gas w.r.t. ground} &= \mathbf 0\\ \implies(M-\mathrm dM)(\mathbf v+ \mathrm d\mathbf v) + \mathrm dM(\mathbf v+ \mathrm d\mathbf v-\mathrm v_\textrm{gas w.r.t. rocket}) & = \mathbf 0\\ \implies \mathrm d\mathbf v &= \frac{\mathrm dM~\mathbf u}{M-\mathrm dM}\\ \implies \dot{\mathbf v } &= \frac{\dot m\mathbf u}{M_0-\dot m t} \,,\end{align}$$ wo $\mathbf u$ist die Geschwindigkeit des Gases in Bezug auf die Rakete; bei der Herleitung wurden Produkte infinitesimaler Größen vernachlässigt.

Sie können vor dem interstellaren Teil der Mission beschleunigen. Dies könnte mit Booster-Raketen wie bei vielen realen Missionen oder mit einem Weltraumschlepper (der eigentlich nur eine Variation einer Booster-Rakete ist) erfolgen. Sie könnten auch Lust bekommen und eine Art Rail-Gun-Setup verwenden, mit Magneten oder Lasern oder was auch immer, die an umlaufenden Stationen im Abgangs-Sonnensystem montiert sind, und jede Station verleiht dem Schiff ein bisschen mehr Schwung.

Welche Methode Sie auch verwenden, das Schiff würde einfach durch den Weltraum driften, bis es sein Ziel erreicht. Wenn es das erste Schiff ist, das ankommt, muss es wahrscheinlich eine oder mehrere ^Raketen einsetzen, um in die Umlaufbahn des Planeten einzudringen und schließlich zu landen. Ansonsten brauchen Sie auf dem Weg keinen großen Schub, obwohl Sie, wie Michael Kjörling betont, wahrscheinlich etwas Schub benötigen würden, um Kurskorrekturen auf dem Weg vorzunehmen ² . Wenn es nicht das erste Schiff ist, das ankommt, könnten frühere Schiffe die gleichen ausgefallenen Einstellungen haben, um das Schiff zu verlangsamen, aber diese werden eine Menge Ressourcen zum Bauen benötigen und werden wahrscheinlich nicht existieren, bis viele Schiffe angekommen sind und sich niedergelassen haben Das neue Sternensystem.

Das heißt, Ihr Schiff kann kein vollständig geschlossenes Setup haben. EM-Energie wird in den Weltraum entweichen, und die Entropie sagt, dass Sie jedes Mal, wenn sich Ihr Lebenszyklus dreht, nicht ganz so viel zusätzliche Energie haben. Sie brauchen also eine Energiequelle, die das Schiff für die Dauer Ihrer Reise warm hält, die Pflanzen speist usw., obwohl eine anständige Charge Kernbrennstoff je nach Größe des Schiffes und der Besatzung ausreichen sollte.

Die andere Überlegung ist, dass Sie schneller ans Ziel kommen, wenn Sie bis zur Hälfte beschleunigen. Das bedeutet, dass Sie viel mehr Kraftstoff zum Beschleunigen benötigen, dann noch mehr Kraftstoff zum Abbremsen und noch mehr Kraftstoff, um den gesamten Kraftstoff aus dem Sonnensystem zu entfernen, und noch mehr Kraftstoff, um all das von der Oberfläche des Ursprungsplaneten zu entfernen. Es wird viel teurer sein, aber weniger Zeit für den Transport bedeutet weniger Möglichkeiten für Fehler und weniger Generationen, die auf dem Schiff leben.

_{¹ Ich denke, Sie könnten technisch gesehen ein riesiges Lichtsegel zum Abbremsen verwenden, sobald Sie das andere Ende erreicht haben, aber mein Bauchgefühl ist, dass dort nicht genug Beschleunigung vorhanden ist, um Sie von den sehr hohen Geschwindigkeiten abzubremsen, mit denen Sie den interstellaren Raum durchqueren möchten. Der Wikipedia-Artikel erwähnt jedoch einen hypothetischen Weg , um ein Raumschiff in 30 Jahren in die innere Oortsche Wolke (etwa 0,8 Ly von der Erde) zu befördern, sodass eine ähnliche Technologie verwendet werden könnte, um Proxima Centauri (etwa 4,2 Ly von der Erde) in einem angemessenen Zeitrahmen zu erreichen ohne Raketen.}

_{² Winzige Geschwindigkeitsfehler zu Beginn der Reise können dazu führen, dass Sie das andere Sternensystem komplett verfehlen, wenn Sie dies nicht berücksichtigen. Wie in Brendans Antwort auf eine andere Frage zu sehen ist, haben sogar die Mondflüge unterwegs ein paar kleine Kurskorrekturen vorgenommen, und das ist etwa 100 Millionen Mal näher als das nächste Sternensystem.}