Sind rein elektromagnetische Antriebssysteme überhaupt machbar?

Abgesehen von "passiven Systemen", wie einem Lichtsegel, das von einem erdgestützten Laser beschleunigt wird, wurde der Photonenantrieb jemals ernsthaft für Raumschiffantriebe in Betracht gezogen?

Ja. Siehe die Atomraketen-Seite über Photonenraketen . Die klassische Photonenrakete ist ein von Antimaterie angetriebener Antrieb, der von Gammastrahlen angetrieben wird. Ähnliche Antriebe tauchen sporadisch in Science-Fiction auf. Beispielsweise sind die von den Außerirdischen in Donald Moffitts The Jupiter Theft verwendeten persönlichen Raketengeräte Photonenantriebe, die durch vollständige Materie-Energie-Umwandlung angetrieben werden.

Gibt es in Anbetracht der Zeit und der erforderlichen Brennstoffmenge eine Möglichkeit, einen gewöhnlichen Kernspaltungsreaktor, der im Brennpunkt einer Parabolschüssel auf der Rückseite eines Raumschiffs platziert ist, mit Wärmestrahlung als Treibmittel zum nächsten Stern zu bringen?

Sicher. Über eine ausreichend lange Zeit braucht man nicht viel Schub, um auf sehr hohe Geschwindigkeiten zu kommen.

Wenn nicht, gibt es ein praktikables Design?

Wenn Sie sowieso einen Spaltreaktor verwenden, sollten Sie eine Spaltfragmentrakete in Betracht ziehen , die Ihnen ein besseres Verhältnis von Leistung zu Schub bietet als eine reine Photonenrakete.

Das Problem mit all diesen Randwissenschaften ist, dass eine von ihnen schließlich hängen bleibt und real wird. Wenn wir am Ende interstellare Reisen bauen, ist es eine sichere Wette, dass die Physik von 2020 sagt, dass die von uns verwendete Engine unmöglich war, genauso wie die Physik von 1850 sagte, dass die Zeitdilatation von sich schnell bewegenden Objekten unmöglich war.

Abgesehen davon denke ich, dass es einen gibt, der in der Wissenschaft der nahen Zukunft machbar ist: Ein Brussard-Staustrahltriebwerk.

Wenn Sie das interstellare Medium einfangen und mit einem Teilchenbeschleuniger von sich wegbeschleunigen können, reicht dieser Schub aus, um einen Unterschied zu machen. Das Intersteller-Medium besteht zu 70 % aus Wasserstoffgas und etwa 10^6 Molekülen pro cm^3. Das sind 10^-21kg pro cm^3 oder 10^-15 pro m^3. Ein 10 m² großer Saugnapf, der an der Vorderseite eines Schiffes montiert ist, kann pro zurückgelegtem Kilometer einige Mikrogramm sammeln.

Kombinieren Sie diese unendliche Quelle freier Partikel mit Technologien wie diesem einzelnen Chip, der ein Partikel auf 0,94 c beschleunigen kann , und Sie haben ein paar N freie Beschleunigung für jeden km Vorwärtsbewegung.

Ja, es ist kein Star Wars-Kampf mit scharfen Luftkämpfen, aber das könnte ein Generationenschiff zu einem nahe gelegenen Sternensystem bringen.

Die Atomic Rockets-Seite über Photonenantriebe vermittelt, dass bei perfekter Effizienz bei der Umwandlung von Reaktorleistung in einen gesammelten Gammastrahlenstrahl (passiert nicht; es wird Abwärme, Dispersion ...) dreihundert Megawatt Leistung benötigt, um ein Newton zu erzeugenvon Schub. Sofern Sie nicht möchten, dass Ihr gebäudegroßes Raumschiff mit weniger als einem Millionstel G beschleunigt, sind Spaltreaktoren aus dem Fenster, ebenso wie die meisten modernen Konzepte von Fusionsreaktoren. Die einzige wirklich effiziente Möglichkeit, Masse in Energie in dem für diese Art von Antrieb erforderlichen Ausmaß umzuwandeln, ist eine Materie-Antimaterie-Reaktion; vorgeschlagene Raketen mit Photonenantrieb verwenden große Tanks mit Antimaterie als Treibstoff. Da es derzeit keinen praktikablen Weg gibt, große Mengen an Antimaterie herzustellen, wurden Photonenraketen von Weltraumbehörden nicht ernsthaft in Betracht gezogen.

Ja. Mit elektrodynamischem Antrieb.

https://www.scientificamerican.com/article/kilometer-long-space-tether-tests-fuel-free-propulsion/

Der elektrodynamische Antrieb beruht auf einem lang geladenen elektrodynamischen Seil . Das Halteseil wird vom Raumfahrzeug aufgeladen und kann durch Wechselwirkung mit Magnetfeldern im Weltraum Antrieb erzeugen. Es kostet immer noch Energie, aber es gibt keine Reaktionsmasse und nichts, was hinter das Raumschiff geschleudert werden kann - nur die Wechselwirkung geladener Felder. Mittlerweile gibt es Raumfahrzeuge, die nach diesem Prinzip arbeiten.

https://www.scientificamerican.com/article/kilometer-long-space-tether-tests-fuel-free-propulsion/

„Mit anderen Worten, es ist das Segelschiff des Weltraums“, sagt Enrico Lorenzini, Professor für Energiemanagementtechnik an der Universität Padua in Italien, der nicht an der TEPCE-Mission beteiligt ist. Aber statt Wind bewegt sich die elektrodynamische Tether-Technologie dank der physikalischen Gesetze, die elektrische und magnetische Felder bestimmen. Ein Halteband in der Ionosphäre der Erde – eine obere atmosphärische Schicht, die mit geladenen Teilchen wie freien Elektronen und positiven Ionen gefüllt ist – kann Elektronen an einem Ende sammeln und am anderen emittieren, wodurch ein elektrischer Strom durch sich selbst erzeugt wird. Die Wechselwirkungen des elektrifizierten Halteseils mit dem Erdmagnetfeld erzeugen einen als Lorentz-Kraft bekannten Impuls, der das Halteseil in einer senkrechten Richtung drückt.

Es gibt viele Magnetfelder in einem Sonnensystem und besonders in der Nähe eines Dynamos wie der Erde. Aber gibt es Magnetfelder im Weltraum? Es gibt sie, aber ihre Herkunft bleibt etwas mysteriös.

http://www.scholarpedia.org/article/Galactic_magnetic_fields

Das ISM enthält eine gleiche Anzahl positiv und negativ geladener Teilchen, so dass große elektrische Ströme (die große Magnetfelder induzieren könnten) nicht aufrechterhalten werden können. Der aussichtsreichste Mechanismus zur Feldverstärkung ist der Dynamo, der mechanische Energie in magnetische Energie umwandelt... Bei geeigneter Gestaltung der Gasströmung kann aus einem schwachen Seed-Feld ein starkes Magnetfeld mit stationärer oder oszillierender Konfiguration erzeugt werden. Keimfelder könnten im frühen Universum entstanden sein, zB bei kosmologischen Phasenübergängen oder bei Schocks in protogalaktischen Halos (Biermann-Batterie) oder durch Fluktuationen im protogalaktischen Plasma.

Um den interstellaren Raum mit elektrodynamischem Antrieb zu durchqueren, müsste man günstige Kraftlinien identifizieren und das Schiff auf ihren Weg ausrichten. Dies bietet sich für eine Fiktion an, da es, wie Professor Lorenzini im obigen Zitat feststellte, einem Schiff in den Tagen der Segelschifffahrt entspricht. Und um sich gegen die Energie schwacher Felder abzustoßen, braucht man ein größeres Segel oder Halteseil. Ich stelle mir ein riesiges Knäuel Kupferdrähte vor, die sich um das Raumschiff winden und durch ihre eigene Ladung und ein schwaches Kupferionenplasma leicht grün leuchten. Und Sie müssen bereit sein, es abzubauen, wenn ein Sturm kommt ...

Ich weiß nicht, ob ein Photonenantrieb in Betracht gezogen wurde, aber es liegt wahrscheinlich nicht an der niedrigen Energie. Photonen haben offiziell keine Masse . Wenn ich Wikipedia zitieren darf: Die Gesamtkraft, die beispielsweise auf ein 800 mal 800 Meter großes Sonnensegel ausgeübt wird, beträgt im Abstand der Erde von der Sonne etwa 5 Newton (1,1 lbf).

Jetzt brauchen interstellare Reisen nicht viel Energie. Es reicht aus, einfach mehr Energie aufzubringen, da es (praktisch) nichts gibt, was das Fahrzeug ausbremst. Es wurden also einige Motoren vorgeschlagen, die sehr, sehr langsam beschleunigen, sich aber über Jahrzehnte, wenn nicht sogar Jahrhunderte hinweg bewegen können. Aber die Entfernung von Licht und Erde auf einem 800 mal 800 großen Blatt ist keine kleine Menge an Energie. Der Grund für die Verwendung von Licht ist, dass es bereits reichlich vorhanden ist oder wie Sie sagen, beim Balkensegeln verwendet werden kann. Mit dem Antriebslaser außerhalb des Fahrzeugs. Es auf das Fahrzeug zu setzen, hat mehrere sehr schlechte Auswirkungen. Sie müssen auch gegen den Reaktor drücken, und im Allgemeinen drückt Sie das Abfeuern von etwas mit der gleichen Kraft nach hinten. Ich weiß nicht, ob das auch für Licht gilt, aber Sie können einfach so viel Kraft nach hinten wie nach vorne ausüben, wenn Sie sie auf ein Segel anwenden. Dann sollten Sie es besser einfach nach hinten richten und zur Beschleunigung losfeuern.

Eine Alternative ist viel wahrscheinlicher. Mit der Energie des Reaktors winzige Partikel so hart wie möglich nach hinten feuern. Wenn Sie das Partikel nach hinten schieben, schieben Sie das Fahrzeug mit gleicher Kraft nach vorne. Mit einem Teilchenbeschleuniger im Inneren könnten Sie also die Teilchen mit so viel Kraft ausstoßen, wie ein Kernreaktor es bewältigen kann, und die Teilchen so effizient wie möglich nutzen.

Es gibt einige weitere Alternativen, wie sie versuchen, Raumzeitkurven zu ihrem Vorteil zu nutzen, indem sie vor dem Fahrzeug ein tieferes Feld als hinten erzeugen und es nach vorne ziehen.

Aber wenn Sie wirklich einen EM-Antrieb haben wollen, sehen Sie sich an, was die NASA derzeit damit macht. Bereits 2015 haben sie mit Experimenten getestet, ob es wirklich funktionieren könnte, da die Physik sagte, dass es nicht funktionieren könnte. Dennoch funktioniert es eine winzige, winzige Menge. Scheint vernachlässigbar, ist aber ihrer Meinung nach ziemlich beeindruckend. Offensichtlich ist mehr Forschung erforderlich, um sehr, sehr sicher zu sein, dass es sich nicht um einen Fehler handelt, aber es könnte durchaus möglich sein, ihn später zu verwenden.

Der Titel der Frage sah vielversprechend aus, aber der Körper ging dann etwas daneben.

Bei der Ausarbeitung der Frage wird immer noch davon ausgegangen, dass "Reaktionsmasse" die einzige Möglichkeit ist, etwas anzutreiben.

Ja, die Gesetze der Impulserhaltung erfordern, dass Energie in ein System eingegeben wird, um Beschleunigung zu erzeugen, aber sie erfordern nicht, dass eine Reaktionsmasse erforderlich ist, noch dass die Energiequelle in dem zu bewegenden Objekt inhärent oder enthalten ist.

Es gibt Hunderte von Beispielen für Transport-/Antriebssysteme auf der Erde, die keine „Reaktionsmasse“ verwenden. Das heißt, sie haben am Ende der Fahrt genau die gleiche Masse wie am Anfang, ohne Nachfüllen. Sie verwenden hauptsächlich Elektrizität und Elektromotoren (solche, die nicht von der Schwerkraft abhängen, um sie auf die Erde zu ziehen). Ein Elektrotrolly kann zum Beispiel eine große Strecke zurücklegen, ohne dass sich seine Masse um ein Jota ändert. Okay, es wird also ständig Energie zugeführt, aber Strom ist kaum eine 'Reaktionsmasse', die Elektronen werden zur Quelle zurückgeführt. Ein weiteres Beispiel ist das Hyperlopp-System von Tesla, bei dem das Antriebssystem aus Elektromagneten in der Rohrwand besteht, die die Autos antreiben. Der Zug braucht überhaupt keine Reaktionsmasse mitzuführen. Derzeit sind Magnetschwebebahnsysteme in Betrieb, die Induktionsmotoren verwenden, die keine Energieversorgung der Züge benötigen. Wir haben sogarTraktorstrahlen in der Entwicklung als ernsthafte Transportsysteme ohne Reaktionsmasse.

Es gibt auch viele derzeit in der Raumfahrt verwendete Antriebssysteme, die keine Reaktionsmasse verwenden. Sie nutzen den Gravitationsschub von Planeten in einem Schleudermanöver, um die Geschwindigkeit zu erhöhen.

Stellen Sie sich als zukunftsfähiges praktisches Beispiel für die Verwendung von Elektromagneten (wie der Titel schon sagt) eine reguläre, kommerzielle Flugbahn zwischen, sagen wir, der Erde und dem Mars vor. Platzieren Sie entlang des Pfades supergroße Satellitenstationen, die von Fusionsreaktoren oder dergleichen angetrieben werden. Sie üben ein starkes elektromagnetisches Feld (oder einen ähnlichen Traktorstrahl) entlang der Route aus, so dass sie das Raumschiff entlang der Route abwechselnd anziehen und dann abstoßen. Newton würde natürlich darauf bestehen, dass ihre Masse wesentlich größer sein müsste als die "Autos", die sie ziehen / schieben, und dass eine erhebliche Entwicklung erforderlich wäre, um das elektromagnetische Feld fokussieren / lenken / konzentrieren zu können, aber dies ist eine Technik Problem mehr als ein physikalisches Problem. Wie Ash in seiner (ihrer?) Antwort sagte:

Aber die Quintessenz ist, dass die Gesetze der Impulserhaltung nicht verlangen , dass Reaktionsmasse für den Antrieb verwendet wird, sondern nur irgendeine Form von zugeführter Energie.