Theoretisches Raketentriebwerk basierend auf Plasma-Stoßwellen-Teilchenbeschleunigung

Beachten Sie, dass,

1. Der Energiegewinn pro Zyklus ist$\Delta E\propto\beta_s$mit$\beta_s=v_s/c$Wo$v_s$ist die Geschwindigkeit des Stoßes.
2. Die Zeitskala für die Beschleunigung ist$t_\text{acc}\propto\kappa/\beta_s^2$Wo$\kappa$ist der Diffusionskoeffizient.
3. Die Zeitskala für Flucht ¹ ist$t_\text{esc}\propto t_\text{acc}\beta_s$

Die Hauptquelle der galaktischen kosmischen Strahlung sind Supernova-Überreste (SNR), die massiv sind (Parsec-Längenskalen und$\sim10^{51}$erg Energieskalen), schnell ($\beta_s\sim0.01$) und alt (>10.000 Jahre). An diesen Orten beträgt die Beschleunigungszeitskala ungefähr einen Monat, während die Fluchtzeitskala Hunderte bis Tausende von Jahren beträgt (daher sind SNR-Quellen alt ).

Da wir also keine Möglichkeit kennen, eine sich bewegende Stoßwelle zu erzeugen und einzudämmen, noch die Zeitskalen abwarten können, die erforderlich sind, um ein Teilchen bis zu seinem Austritt aus dem Beschleuniger zu beschleunigen, ist dies völlig unpraktisch.

^{1. Sobald ein Teilchen genug Energie gewonnen hat, so dass sein Gyroradius den Larmor-Radius des Beschleunigers überschreitet, kann es nicht erneut beschleunigt werden und entkommt; vgl. dieser Kommentar .}

Um nur Kyles Antwort hinzuzufügen, wird angenommen, dass die Diffusionsstoßbeschleunigung (DSA) nun aus selbsterzeugten elektromagnetischen Wellen/Fluktuationen/Strukturen resultiert [z. B. siehe Turner et al. , 2018 ; Wilsonet al. , 2016 ]. Ein Ergebnis davon ist, dass die Wellenlängen/Skalengrößen der resultierenden elektromagnetischen Wellen/Fluktuationen/Strukturen tendenziell zunehmen, wenn die Energie der beschleunigten Teilchen zunimmt (siehe z. B. Diskussion unter https://physics.stackexchange.com/a/618127) . /59023 ). Die anfänglichen Skalengrößen sind in typischen Weltraumplasmen bereits ziemlich groß, viel kleiner in Laborplasmen, wo alle Skalengrößen viel kleiner sind. Trotzdem würde die Skalengröße schnell die des physischen Behälters überschreiten, in dem Sie versuchen, solche hochenergetischen Teilchen zu erzeugen.

Gegenwärtig ist die beste Methode, die wir haben, um eine kollisionsfreie Stoßwelle künstlich zu erzeugen , die Laserablation [ zB siehe Heuer et al. , 2020 ]. Dies erfordert tendenziell eine Tonne Leistung/Energie, um die Laserimpulse zu erzeugen, die erforderlich sind, um genug Material abzutragen, um einen Schock zu erzeugen. In der Laborumgebung haben die Schocks keine enorm hohe Machzahl , wie die eines Supernova-Überrests (SNR) . Wie Kyle betont, neigen hohe Machzahlen im Allgemeinen dazu, Teilchen mit höherer Energie zu erzeugen.

Wie berechnet man die Widerstandskraft für einen Motor, der beispielsweise Gas mit 99% Lichtgeschwindigkeit ausstößt? Und wie viel Masse muss in diesem Fall ausgestoßen werden, um eine Rakete in die Umlaufbahn bringen zu können?

Basierend darauf, wie viel Energie erforderlich ist, um eine kollisionsfreie Stoßwelle zu erzeugen, ist dies ein Nichtstarter, da die Eingabe zum Auslösen des Stoßes größer ist als jede fokussierte Ausgabe. Außerdem wären riesige Kondensatorbänke, die für das Abfeuern des gepulsten Lasers erforderlich sind, unerträglich schwer, was ebenfalls ein Nichtstarter wäre (dh mehr Masse = mehr Geld und weniger Optionen für Startbahnen).

Schließlich würde jeder Laserablationsstoß die Wände der Kammer "schlagen", bevor die Partikel genug Zeit hätten, um genügend Energie zu erhalten, um irgendetwas Nützliches wie das Beschleunigen eines Raumfahrzeugs zu tun. Es gibt viel effizientere Optionen wie Ionentriebwerke , die bereits verfügbar sind und bei Missionen wie Dawn eingesetzt wurden .