Ich wollte wissen, ob wir mit elektrischer Energie eine Rakete von der Erde schießen können? Wenn ja, wie und hat das schon mal jemand versucht?
tldr; Nein , unsere aktuelle Technologie ist viel zu schwach.
Der Begriff „Elektroantrieb“ in Bezug auf Motoren kann einiges bedeuten, aber was wir derzeit in der Raumfahrt einem reinen „Elektromotor“ am nächsten kommen, sind elektrostatische Triebwerke . Diese verwenden im Wesentlichen Elektrizität, um Elektromagnete anzutreiben, die geladene Teilchen mit enormen Geschwindigkeiten rückwärts beschleunigen, um Schub zu erzeugen (einige erreichen eine Abgasgeschwindigkeit von ~30 km/s).
Der Grund, warum wir nicht von der Erde aus starten können, ist, dass diese in Millinewton gemessene Schübe erzeugen . Typische Raketentriebwerke erzeugen einen Schub im Bereich von Hunderten von Kilonewton – 100 Millionen mal mehr Schub.
Sie könnten mit einem elektrostatischen Triebwerk keine Büroklammer vom Boden heben, geschweige denn eine Rakete.
Sie haben jedoch ihre Verwendung:
Eine Art elektrostatisches Triebwerk, das als Ionentriebwerk bekannt ist, ist sehr beliebt für den Einsatz bei Weltraumsonden. Die Kombination aus relativ leichten Fahrzeugen und der Möglichkeit, den Motor wochen- oder monatelang ununterbrochen zu betreiben, bedeutet, dass Ionenmotoren unglaublich effektiv sein können. Siehe Hayabusa und Dawn für Beispiele von Raumfahrzeugen mit Ionenantrieb.
Bemerkenswert ist auch, dass unsere derzeitige elektrische Antriebstechnologie in einer Atmosphäre fast vollständig wirkungslos ist - der erreichbare Schub und die erreichbare Effizienz sind drastisch schlechter als im Vakuum.
Die Variable Specific Impulse Magnetoplasma Rocket befindet sich in der Entwicklung und Erprobung. Es gehört zu einer Kategorie, die als Plasmaantriebsmotoren bekannt ist, und kann seine Effizienz als Kompromiss für den Schub variieren (niedriger Schub, hoher spezifischer Impuls oder relativ hoher Schub, niedriger spezifischer Impuls).
Die Daten zeigen , dass es in der Lage ist, Schub in der Größenordnung von Newton bei ähnlich hohen Wirkungsgraden wie Ionentriebwerke zu erzeugen. Wenn diese Technologie Realität wird, hat sie ein enormes Potenzial für die orbitale und interplanetare Raumfahrt.
Es gibt viele andere Arten von elektrischem Antrieb, aber alle leiden immer noch unter genau dem gleichen Problem wie elektrostatische Triebwerke; viel zu wenig Schub für Oberflächenstarts.
Das einzige, was möglicherweise zu Ihrer Frage passen und eine positive Antwort haben könnte, ist ein elektromagnetisches Katapult . Dies wäre eine evakuierte Röhre, typischerweise Hunderte von Kilometern lang, in der Magnetfelder verwendet wurden, um eine Nutzlast (die eine Rakete sein könnte) auf Fluchtgeschwindigkeit zu beschleunigen (oder etwas schneller, um die Energie zu berücksichtigen, die nach dem Verlassen des Luftwiderstands durch den Luftwiderstand verloren geht Tunnel). Das Ende des Tunnels befindet sich normalerweise auf einem Berggipfel, damit sich der Tunnel auf seinen letzten Kilometern nach oben biegen kann und um den Luftwiderstand zu verringern. So etwas wurde noch nie gebaut, aber es gibt Designstudien. Eine, von der ich mich erinnere, gehört zu haben (sorry, kein Link), würde etwa 15 GW Leistung für etwa 90 Sekunden benötigen, um eine Nutzlast von 1 Tonne bei 10 g zu starten.
Kurze Antwort: Nein. Wir haben keine Speicherkapazität für Energie in elektrischer oder chemischer Form, die es uns ermöglichen würde, die chemische Energie bei Bedarf wieder in elektrische Energie umzuwandeln und eine Rakete in den Weltraum zu treiben.
Aktuelle Errungenschaften und zukünftige Arbeiten: Aber was bedeutet es, elektrische Energie zum Antrieb einer Rakete zu verwenden? Die allgemein akzeptierten Beispiele sind die elektrostatischen und Hall-Triebwerke, die in Ionen- und Plasmaantrieben verwendet werden.
Aber da wir nicht in der Lage sind, Raumschiffe mit solch niedrigen Schubvorrichtungen in die Umlaufbahn zu befördern, werde ich Ihnen den einzigartigen Fall der Elektronen-Trägerrakete vorstellen.
Die Electron-Trägerrakete ist wirklich faszinierend, da sie nur elektrische Energie aus Batterien verwendet, um ihre Treibmittel-Speisepumpe für ihre mehreren Rutherford-Triebwerke in zwei Stufen mit einer zusätzlichen dritten Stufe mit einem Curie-Triebwerk anzutreiben. Die Trägerrakete kann mit der RP-1/LOX-Kombination einen spezifischen Impuls von 303 Sekunden erreichen. Was erstaunlich ist. Dies ist das beste Beispiel für die Verwendung von elektrisch angetriebenen Antrieben für Trägerraketen in der heutigen Zeit.
Raumfahrt ist schwierig, es gibt keine Abkürzungen, es gibt nur Kompromisse.
Nein. Elektrische Energie hat einen sehr geringen Schub. Es würde eine enorme Energiemenge zum Anheben erfordern, weit mehr als selbst der konzentrierteste Motor von heute.
Die nächste ist die Elektronenrakete, die Batterien verwendet, um die Turbopumpen gegen den Auspuff der Rakete zu betreiben, die die meisten Systeme heute verwenden. Aber das ist immer noch nicht wirklich elektrisch, nur ein Teil der Rakete ist elektrisch.
Beam Powered Propulsion – das Abfeuern eines Lasers am hinteren Ende eines Fahrzeugs, um etwas Reaktionsmasse zu erhitzen – ist eine vorgeschlagene Methode sowohl für den Start in den Weltraum als auch im Weltraum. Es würde elektrisch betrieben werden. Zu den Varianten des strahlbetriebenen Antriebs gehört es, Sonnensegeln und elektrischen Triebwerken zusätzlichen Schub zu verleihen, indem Energie verwendet wird, die auf das Raumfahrzeug (auf PV-Module) gestrahlt wird, anstatt an Bord getragen zu werden, aber für den Start in den Weltraum wären die thermischen Raketentypen erforderlich.
Jacks Antwort erklärt, warum Weltraumtriebwerke ziemlich gut für den Start ungeeignet sind, und daran denken wir tatsächlich, wenn wir über Elektromotoren sprechen. Dies gibt jedoch möglicherweise nicht das vollständige Bild wieder.
Es gibt im Wesentlichen zwei Probleme beim Start einer elektrischen Rakete:
Ionentriebwerken und VASIMR fehlt der Schub, der für den Raketenstart benötigt wird. VASIMR könnte für den Start von Asteroiden ausreichen, aktuelle Ionentriebwerke nicht einmal dafür. Es gibt jedoch noch andere Elektromotoren: Resistojets und Arcjets . Obwohl sie nicht für den Raketenstart untersucht wurden, können diese theoretisch den notwendigen Schub für eine Rakete haben. Sie funktionieren im Wesentlichen wie nuklearthermische Motoren: Erhitzen Sie einen inerten Treibstoff mit externer Energie statt mit einer chemischen Reaktion. Es kann theoretisch eine höhere Abgasgeschwindigkeit erreichen als nuklearthermisch, was ihm tatsächlich einen besseren Isp verleiht - dies bedeutet jedoch häufig einen geringeren Schub, und eine nuklearthermische Startrakete wäre bereits schwer herzustellen.
Andererseits könnten diese ähnlich wie Kernthermie als Luftatmer nutzbar sein. Wieder schwer zu machen, nicht anders als Skylon , aber machbar und theoretisch mit guten Leistungen - wenn man auch das zweite Problem lösen kann.
Das Problem bei diesen elektrothermischen Motoren ist, dass sie viel Energie benötigen. Gemäß der Raketenleistungsgleichung ist der Schub bei einer gegebenen Leistung umgekehrt proportional zur Abgasgeschwindigkeit. Diese Motoren haben eine hohe Abgasgeschwindigkeit, um einen besseren Isp zu haben, also brauchen sie viel, viel mehr Leistung, um genug Schub für den Start zu haben. Ionenmotoren sind ein extremeres Beispiel dafür. Das logische Extrem wäre eine Photonenrakete .
Offensichtlich ist die chemische Energie out: Sie hätten durch Verluste noch weniger Energie als bei einem chemischen Motor, und Sie müssten immer noch die Masse der leeren Batterien herumschleppen. Auch supraleitende Solenoid-Batterien würden nicht viel helfen, da diese durch chemische Bindungsenergie begrenzt sind (um zu verhindern, dass das Solenoid unter Lorentz-Kräften platzt).
Sie brauchen also einen Kernreaktor mit seiner weit überlegenen Energiedichte. Beachten Sie, dass Sie zwar höhere Temperaturen erreichen können (Kernwärme ist auf Temperaturen "den Reaktor nicht schmelzen") und damit Abgasgeschwindigkeit und Isp erreichen können, Sie jedoch große, möglicherweise glühende Heizkörper benötigen, um Abwärme aus dem Kerngenerator abzuführen. Sie können einen Teil davon zum Vorheizen des Treibmittels verwenden, aber naturgemäß nicht alles (sonst hätten Sie im Grunde sowieso einen nuklearthermischen Motor).
Eine andere Option besteht darin, einen elektrisch betriebenen Laser oder Maser am Boden (oder im Orbit) zu haben , der Energie durch den Strahl an die Rakete überträgt . In den meisten Fällen wird das Treibmittel direkt erhitzt (was wiederum Luft sein kann, wenn es sich in der Atmosphäre befindet). Bei einigen Entwürfen wandelt das Fahrzeug es wieder in Strom um, aber dies dient eher dazu, einen Hubschrauber anzutreiben, nicht eine Rakete.
Der Vorteil ist, dass das Fahrzeug selbst billiger und leichter ist und gute Leistungen erbringt. Der Nachteil ist die Notwendigkeit großer externer Installationen, die Ihr Nachbar möglicherweise als Waffen sieht. Andererseits würden einige dies auch als Vorteil sehen.
Es ist ein Forschungsthema, aber es könnte möglich sein, einen Strahl von beispielsweise Mikrowellenstrahlung mit erheblicher Leistung (Bruchteile von Gigawatt) an eine Rakete zu senden, diese Leistung ziemlich effizient als Form von Elektrizität einzufangen und damit eine sich bewegende Masse zu beschleunigen Schub wird mehr als Schwerkraft sein. Jetzt sind noch nicht viele Details bekannt.
Die Antwort ist schockierend JA. Den meisten Menschen wird wahrscheinlich beigebracht, dass der Ionenantrieb nicht genug Schub hat, um seine Energieversorgung jemals anzuheben. Früher schien das richtig zu sein. Ich habe jedoch 19 Jahre lang an dem Problem gearbeitet. Das Ergebnis ist das US-Patent Nr. 10,119,527, das eigenständige ionenbetriebene Flugzeug. Es ist ein sehr leichtes Flugzeug mit Ionenantrieb, das seine Stromversorgung tatsächlich für fast 2 Minuten abhebt, Stand 9.5.2019. Wenn Sie immer noch interessiert sind, können Sie ionengetriebene Flugzeuge und Bordstrom oder Ionocraft googeln. Es gibt 6 öffentliche Flugvideos und eine Website, die offensichtlich sein sollten. Es wurde vielen Beamten gezeigt, dass es wie gezeigt funktioniert.
Russell Borogove