Technologie für unbemannte Raumfahrzeuge zu Exoplaneten

Es sind unglaubliche, verblüffende Entfernungen erforderlich, um einen Exoplaneten zu erreichen. Alpha Centauri Bb , der nächste bekannte Exoplanet, ist 4,365 Lichtjahre entfernt. Das sind 41.295.000.000.000 km (25.660.000.000.000 Meilen) oder 276.000 AE (die Entfernung von der Erde zur Sonne).

Voyager 1 hat den größten Teil unseres Sonnensystems hinter sich gelassen und bewegt sich mit atemberaubenden 17,3 km/s fort . Wenn es auf Alpha Centauri Bb zusteuerte, würde es fast 75.700 Jahre dauern, um dorthin zu gelangen.

Bei interstellaren Entfernungsskalen besteht die technische Herausforderung darin, Geschwindigkeit zu erreichen. Das Projekt Icarus schlägt vor, eine Kernfusion zu verwenden, um interstellare Geschwindigkeiten zu erreichen. Beamed Propulsion ist ein Vorschlag, Lichtsegel zu verwenden, die von gigantischen Lasern angetrieben werden.

Eine andere Möglichkeit, einen Schub zu bekommen, ist die kürzlich in dieser Frage erwähnte Krafft-Arnold-Ehricke- Trajektorie , aus der ich zitiere:

. . . die beste Bahn. . . um mit der höchsten Geschwindigkeit aus dem Sonnensystem herauszukommen$V_\infty$muss verwenden:

• Eine Schwerkraftunterstützung von Saturn
• Eine Gravitationsunterstützung von Jupiter
• Ein Perihel-Vortriebsmanöver (auch Zündmaschinen genannt) in der Nähe der Sonne (so nah wie es das Wärmekontrollsystem des Raumfahrzeugs zulässt).

Selbst die optimistischsten Vorhersagen besagen, dass wir vielleicht innerhalb von hundert Jahren Geschwindigkeiten erreichen könnten, die ausreichen, um unsere Sonden in Hunderten von Jahren dorthin zu bringen. Eine weitere technische Herausforderung wird daher darin bestehen, eine Sonde zu entwerfen, die so lange hält, bei der Ankunft immer noch über ein funktionierendes Stromversorgungssystem verfügt, über funktionierende Instrumente, Funkgeräte usw. verfügt. Dies wird natürlich durch die Tatsache erschwert, dass dies nicht wirklich der Fall ist so etwas wie leerer Raum irgendwo. Die Partikel im interstellaren Raum sind extrem spärlich, aber wenn man sich mit einem nennenswerten Bruchteil der Lichtgeschwindigkeit fortbewegt, hat das kleinste Teilchen ein großes Schadenspotential.

Dann stellt sich die Frage, wie wir abbremsen können, damit wir am Zielort nicht so schnell vorbeihuschen, dass unsere Instrumente praktisch keine Datenmenge aufnehmen können. Die meisten Designs erfordern eine Beschleunigung auf Geschwindigkeit und dann eine Verlangsamung. Magnetsegel wurden als mögliche Verzögerungstechnik vorgeschlagen, aber das setzt einen ausreichenden Magnetfluss im interstellaren Medium voraus, um dies durchführbar zu machen.

Die Daten vom Exoplaneten-Vorbeiflug zurück zur Erde zu bekommen, ist selbst eine technische Herausforderung. Angenommen, Ihre Sonde schafft es, einen wissenschaftlich bedeutenden Datenspeicher über das Zielsystem und die Planeten zu erfassen, bedeutet die große Entfernung, die die Telemetrie übertragen muss, ein erheblich gedämpftes Signal, bis es einen Empfänger im Sonnensystem erreicht. Ein Ansatz könnte darin bestehen, eine Reihe von Relaissonden nach dem primären Fahrzeug zu senden, um das Signal zu empfangen, zu verstärken und dann weiterzuleiten.

Aber ich denke, ein unbemanntes Raumschiff, das für einen Vorbeiflug an einem Expolanet geschickt wird, wäre ein revolutionärer Schritt auf diesem Gebiet.

Besser gesagt: Unmöglich, zumindest mit annähernd aktueller Technologie.

Um Alpha Centauri in 60 Jahren zu erreichen, wäre eine Durchschnittsgeschwindigkeit von fast 22.000 Kilometern pro Sekunde oder 0,5 astronomischen Einheiten pro Stunde erforderlich. Eine so hohe Geschwindigkeit würde dem Fahrzeug nur wenige Stunden Zeit geben, um seine Mission durchzuführen. Das schließt eine Flyby-Mission so ziemlich aus. Das Fahrzeug muss am Zielstern zur Ruhe kommen, was den Einsatz auf der „Wir wissen nicht, wie das geht“-Skala (auch bekannt als Technologiereifegrad) noch weiter erhöht. Die Technologien, die dazu in der Lage sein könnten, werden optimistisch mit TRL 3 bewertet. Das ist sehr niedrig, und selbst diese Zahl erfordert, die Dinge durch eine sehr rosarote Brille zu betrachten.

Selbst wenn wir die Antriebstechnologie dafür hätten, was nützt es, wenn das Fahrzeug bei der Ankunft tot ist oder wenn es nicht mit der Erde kommunizieren kann? Das Fahrzeug braucht ein Energiesystem, das 60 Jahre hält (wir wissen nicht, wie das geht), ein Computersystem, das 60 Jahre überleben kann (wir haben eine Vorstellung davon), und ein Kommunikationssystem, das das kann mit einer angemessenen Rate über 4,365 Lichtjahre ausgestrahlt (wir wissen nicht, wie das geht).

Um das letzte Problem zu veranschaulichen, mussten die Voyager-Satelliten ihre Übertragungsrate regelmäßig drosseln, da sie sich immer weiter vom Sonnensystem entfernten. Irgendwann in diesem Jahr wird Voyager 1 seine Hochgeschwindigkeitsübertragung auf 1,4 Kilobit pro Sekunde reduzieren müssen. Das wird das Ende dieser hochratigen Übertragungen markieren; das Wiedergabesystem auf dem Raumschiff kann nicht mit dieser niedrigen Rate arbeiten. Diese 1,4 Kilobit pro Sekunde bei 132 AE werden zu 28 Bit pro Tag bei 4,365 Lichtjahren. Es würde fast ein Jahr dauern, ein einzelnes 256x256-Graustufenbild zu übertragen, das bei dieser Rate um einen Faktor von 10:1 komprimiert ist. Wir brauchen ein um drei Größenordnungen besseres Kommunikationssystem, um nützlich zu sein. Eine Verbesserung um eine Größenordnung ist machbar. Drei Größenordnungen? Wir wissen nicht, wie das geht.

Das Machbarste, das ich gesehen habe, das auf der Machbarkeitsskala nicht allzu hoch ist, ist ein sehr großes Drahtgeflecht mit sehr geringer Masse, das Sensoren enthält, das von einem Mikrowellenstrahl von der Erde beschleunigt und angetrieben wird. Siehe Starwisp .

Josua,

Die Antworten von Jerard Pucket und David Hammond sind sehr gut. Wie Jerard Pucket angedeutet hat, erkennen die meisten Menschen nicht die große exponentielle Zunahme der Entfernungen zwischen dem praktischen planetaren/planetoiden Rand unseres Sonnensystems (wie Pluto und Sedna) und sogar den Schranksternen. Die Laien-Analogie, die es mathematisch verkleinert, aber proportional zu den beteiligten Entfernungen darstellt, ist die Fußballstadion-Analogie für unser Sonnensystem ... Stellen Sie sich die Sonne als Clementine an der 50-Yard-Linie im Mittelfeld vor. Die Erde ist 10 Fuß entfernt. In dieser Größenordnung befindet sich Pluto am Stadionrand, den am weitesten entfernten Plätzen, wo die Fans mit den günstigsten Tickets sind. In dieser Größenordnung zum nächsten Stern zu gehen? Es ist ein Flug oder eine lange Autofahrt... Alpha Centauri ist ca. 1.000 Meilen in dieser Größenordnung. Gliese 581c, 21 Lichtjahre entfernt... Wenn das Stadion in Cleveland ist, dann ist Gliese 581 in der Nähe von Schottland, jenseits des Atlantiks. Pluto ist mit aktueller Technologie etwa 7 bis 9 Jahre von der Erde entfernt (für die Fans auf den entfernten Stadionsitzen) ... Machen Sie sich ein Bild ... der Gliese 581 in Schottland, wenn es 7 bis 9 Jahre dauert, bis er den Stadionrand erreicht. Marc Millis von der Tau Zero Foundation hat einen guten Artikel über geschätzte Ressourcen und Zeitpläne für das Senden einer interstellaren Sonde ... siehe:http://arxiv.org/ftp/arxiv/papers/1101/1101.1066.pdf - siehe auch das "incessant obsolescence postulate" (wiederum von Marc Millis, Tau Zero Foundation) http://www.tauzero.aero/discoveries -log/getting-there/motives/
David Hammond gab einen guten grundlegenden Überblick über Funkübertragungen zurück zur Sol (Erde) von Alpha Centauri. Hier sind weitere „ernüchternde“ Informationen, die aus einem Artikel stammen, der von David Woolley mit Verweisen auf Project Cyclops (ISBN 0-9650707-0-0), Nachdruck 1996, von der SETI League und dem SETI Institute; und Radioastronomie, John D. Kraus, 2. Auflage, Cygnus-Quasar Books, 1986.

Wie GROSS sollte diese interstellare Sonde sein?
Wie viel Strom soll es für die Kommunikation erzeugen? Zum Vortrieb? (um Alpha Centauri in einem Leben zu erreichen)

Der Sender/Empfänger (und seine Größe): Selbst wenn wir heute das größte Radioschüsselteleskop, das 1.000-Fuß-Arecibo-Radioteleskop, genommen und "magisch" in die Umlaufbahn von Alpha Centauri Bb transportiert hätten, könnten wir KEINEN Fernseher, Radio, Radar oder jede andere Mainstream-Kommunikation von der Erde! Die Verwendung des S-Bands bei 2,380 GHz mit einer Bandbreite von 0,1 Hz (heute möglich, würde aber die Übertragungsrate des Datenstroms einschränken) fügt eine lächerliche Übertragungsleistung von einem Gigawatt hinzu (weit über allem, was wir derzeit tun, aber möglich, wenn es wirklich möglich ist). erforderlich). All dies hätte mit der Arecibo-Schüssel eine Erfassungsreichweite von 5 Lichtjahren. Ein sehr präzises Pointing-Laser-Kommunikationssystem ist eine weitere Option mit reduzierter Leistung, aber immer noch Ausgangsleistungen im Multi-Megawatt-Bereich, und es würde eine sich entwickelnde Technologie darstellen, aber wahrscheinlich noch zu Lebzeiten möglich. Damit die Sonde in 90 Jahren Alpha Centauri Bb erreichen kann, muss die Sonde eine maximale Lichtgeschwindigkeit von 10 % erreichen, abbremsen und dann umkreisen. Das Endergebnis wäre eine Sonde, die einen SEHR robusten Kernfusionsgenerator mit viel Brennstoff verwendet (die Kernfusion haben wir noch NICHT, sie liegt uns noch fern). Die Sonde wäre um ein Vielfaches größer als der USS Flugzeugträger Nimitz (hauptsächlich für Fusionstreibstoff, um zweimal 10 % der Lichtgeschwindigkeit zu erreichen), wobei allein das Kommunikationssystem genug Stromerzeugung hätte, um eine große Stadt zu betreiben. Das Antriebssystem dieser Sonde würde Energie erzeugen, die heute die gesamte Energieerzeugungskapazität der Welt abbauen würde ... Die Kosten: Die Wirtschaftlichkeit des Baus würde zu diesem Zeitpunkt der Geschichte die Welt um ein Vielfaches in den Bankrott treiben, und oh ja, die Technologie ist es noch NICHT verfügbar, Der ganze Punkt ist also stumm ... Lesen Sie jedoch die Informationen von Marc Millis, da die heutigen Sprungbretttechnologien zum Bau einer solchen Sonde führen könnten ... in mehreren hundert Jahren. Darüber hinaus würde die Größe der Sonde mit fortschreitenden Technologien der fernen Zukunft um eine Größenordnung sinken, aber die Sonde wäre immer noch größer als alles, was wir zu diesem Zeitpunkt in die Umlaufbahn gebracht haben.

Die Dinge sind nicht ganz so negativ, wie die anderen Poster es darstellen.

Obwohl wir es einfach noch nicht können, sind wir von einer solchen Sonde nicht so weit entfernt. Schauen Sie sich das Starwisp -Konzept von Robert L. Forward an – sowohl das Boosten als auch die Leistung für den Vorbeiflug werden mit Strahlkraft ausgeführt, was die Sache erheblich vereinfacht. Die Konstruktion der Sonde geht über die aktuelle Technologie hinaus, erfordert jedoch keine grundlegenden Durchbrüche, wie es jede treibstoffführende Rakete tun würde, die zu dieser Art von Geschwindigkeit fähig ist.

Starwisp hat auch den Vorteil, dass ein großer Teil des Systems (der riesige Solarstrom -> Mikrowellensatellit) hier bleibt und für einen Start nach dem anderen verwendet werden kann. Dies macht zusätzliche Starts viel billiger, wenn Sie solche Sonden aussenden wollen, können Sie sie zu jedem Stern schicken, der nah genug ist. Andererseits können sie nicht kommunizieren, ohne durch den Strahl mit Energie versorgt zu werden – wenn Sie wissen wollen, ob die Sonde überlebt hat, müssen Sie einen Energiestrahl darauf richten – und das Design kann von Natur aus keine Art von haben Abschirmung gegen interstellares Gas und Staub.

EMDrive + Sonnensegel = 80-100 Jahre. Etwas hoch, aber scheint im Bereich des Möglichen zu liegen.

Eine „Spitzentechnologie“**, über die gesprochen wird, ist der EMDrive. Es ist im Grunde ein lichtbetriebener Ionenmotor, der ständig beschleunigen kann und verrückte hohe Geschwindigkeiten ermöglicht. (0,1-fache Lichtgeschwindigkeit)

Herr Joosten und Dr. White erklärten, dass „eine nicht verzögernde Fahrt in eine Richtung nach Alpha Centauri unter einer konstanten Beschleunigung von einem Milligramm“ von einem EM-Antrieb zu einer Ankunftsgeschwindigkeit von 9,4 Prozent der Lichtgeschwindigkeit und dem Ergebnis führen würde in einer Gesamtlaufzeit von der Erde nach Alpha Centauri von nur 92 Jahren.

Wenn jedoch die Absicht einer solchen Mission darin bestünde, Beobachtungen und Experimente vor Ort im Alpha-Centauri-System durchzuführen, wäre eine Verlangsamung erforderlich.

Diese zusätzliche Komponente würde zu einer Laufzeit von 130 Jahren von der Erde zu Alpha Centauri führen – was immer noch eine erhebliche Verbesserung gegenüber dem mehrtausendjährigen Zeitplan darstellt, den eine solche Mission mit der aktuellen chemischen Antriebstechnologie dauern würde.

Bewertung des futuristischen EM-Antriebs der NASA

Schleichen Sie ein Sonnensegel ein (um es anzutreiben und das Sonnenlicht zu nutzen, um ihm den zusätzlichen Schub zu geben), und Sie können die Zeit um bis zu einem Faktor von zwei verkürzen.

JAXA-Ingenieure verwendeten Doppler-Radarmessungen des Ikaros-Raumfahrzeugs, um festzustellen, dass Sonnenlicht mit einer Kraft von etwa 1,12 Millinewton (0,0002 Pfund Kraft) auf das Sonnensegel der Sonde drückt.

Solarsegel besteht großen Test im Weltraum

**HINWEIS: Die Glaubwürdigkeit des EMDrive steht zur Debatte.