Das interstellare Medium reflektiert extrem niederfrequente Radiowellen. Könnten wir diese Tatsache nutzen, um eine effizientere Photonenrakete zu bauen?

Nach den Gleichungen der MHD können sich elektromagnetische Wellen in einem Plasma nicht ausbreiten, wenn sie unterhalb der Plasmafrequenz liegen. (Weitere Informationen finden Sie in dieser Frage zu Radiowellen mit astronomischer Wellenlänge und in dieser Frage zur Plasmafrequenz .) Daher werden Wellen unterhalb der Plasmafrequenz reflektiert. Deshalb prallen Radiosignale von der Ionosphäre der Erde ab.

Angenommen, wir haben ein Raumschiff im interstellaren Medium und wir beginnen mit der Aussendung eines gerichteten Strahls von ELF-Radiowellen mit einer Frequenz – sagen wir 1 kHz –, die unterhalb der lokalen Plasmafrequenz liegt. Da der Strahl Impuls trägt, erzeugt dies eine kleine Kraft auf unser Raumschiff. Dann, wenn das Plasma den Strahl an unserer Antenne zurückreflektiert, können wir die Radiowellen wieder zurückreflektieren und uns ein bisschen mehr nach vorne schieben. Im Prinzip könnten wir die Photonen weiterverwenden, um noch mehr Schub zu liefern.

Würde uns dieser Effekt ermöglichen, eine Photonenrakete zu erschaffen, die die Grenzen der (relativistischen) Raketengleichung überschreitet?

Anders ausgedrückt: Naive Photonenraketen nutzen die Energie eines Photons sehr „ineffizient“. Angenommen, wir bauen eine nukleare photonische Rakete, die einen Spaltreaktor verwendet, um einen Laserstrahl anzutreiben. Nehmen wir an, die Photonen im Laserstrahl tragen jeweils 1 eV. Wenn sich die Rakete im Bezugsrahmen der Erde mit viel weniger als Lichtgeschwindigkeit bewegt, ist der Doppler-Effekt klein und diese Photonen scheinen immer noch fast 1 eV zu tragen. Aber wenn wir die Photonen recyceln könnten, würde der Doppler-Effekt jedes Mal, wenn die Photonen reflektiert werden, etwas Energie auf das Raumschiff übertragen. Somit könnte die Rakete einen viel größeren Teil der Energie im Laserstrahl extrahieren.

Aus Gründen der Diskussion werde ich versuchen, etwas genauer zu beschreiben, wie ein solches Gerät in der Praxis aussehen könnte.

Die Plasmadichte des interstellaren Mediums in der Nähe des Sonnensystems wird auf etwa 0,1 cm geschätzt$^{-3}$, was eine Plasmafrequenz von ergibt

( Voyager 1 hat eine Plasmafrequenz von 2,6 kHz gemessen, das ist also in der richtigen Größenordnung.) Für einen Moment so tun, als wäre das interstellare Medium ein vollständig ionisiertes Plasma im thermischen Gleichgewicht bei 7000 K ( der ungefähren Temperatur der lokalen interstellaren Wolke ), Wir können die Bohm-Gross-Dispersionsbeziehung verwenden, um die charakteristische Skala einer 1 kHz evaneszenten Welle zu berechnen:

(Mit etwas gesundem Menschenverstand ist es schwer zu glauben, dass es in einer Region dieser Tiefe genug Elektronen gibt, um tatsächlich eine Hochleistungs-Radiowelle zu reflektieren. Ich stelle mir vor, dass der Strahlungsdruck einen beträchtlichen Hohlraum im Plasma hinter dem Raumschiff beseitigen würde . Die Hohlraumwände sollten jedoch immer noch reflektierend sein.)

Nehmen wir an, die Masse unseres Raumfahrzeugs ist$10^{6}$kg und hat einen 1-Terawatt-Fusionsreaktor an Bord, der Deuterium und Tritium in Helium-4 umwandelt und aus jeder Reaktion durchschnittlich 1 MeV extrahiert. Wenn wir die Reaktionsprodukte verwerfen und den Reaktor verwenden, um einen Laserstrahl anzutreiben, gewinnt das Raumschiff an Schwung$E/c = 0.0033 \frac{\text{eV} \cdot \text{s}}{\text{m}}$pro Reaktion, während 5 amu Masse verloren gehen. Für die Zwecke der Raketengleichung ergibt dies eine effektive Abgasgeschwindigkeit von$1.3 \times 10^5$m/s =$0.004c$und einen Schub von 3300 N. Aber wenn wir stattdessen den Reaktor verwenden, um einen ELF-Sender mit Energie zu versorgen, und wir es im Durchschnitt schaffen, dass jedes Photon einmal vom interstellaren Medium zurückprallt und von der Antenne des Raumfahrzeugs reflektiert wird, dann haben wir uns gerade verdreifacht sowohl der Schub als auch der spezifische Impuls. Das bringt uns einem interstellar-fähigen Motor ein ganzes Stück näher. Meine Frage ist also, würde dies aus physikalischer Sicht tatsächlich funktionieren?

Für die Zwecke dieser Frage interessiere ich mich nicht für praktische Fragen. Nehmen wir an, wir haben die technischen Möglichkeiten, eine absurd leichte supraleitende Parabolantenne mit einem Durchmesser von Tausenden von Kilometern, einen Fusionsreaktor, der lächerliche Mengen an Strom erzeugen kann, und Strahler zu bauen, die beliebige Mengen an Abwärme abführen können.