Wäre eine Schleifmaschine ein einfaches und praktikables Antriebssystem für ein interplanetares Raumschiff?

Die größte technische Herausforderung bei der Umsetzung Ihres Vorschlags besteht darin, dass sich die Schleifscheibe mit extrem hoher Geschwindigkeit drehen muss, um mit einem chemischen Raketentriebwerk konkurrenzfähig zu sein. Eine typische chemische Rakete könnte einen spezifischen Impuls zwischen etwa 250 und 450 Sekunden haben; daher beträgt die Abgasgeschwindigkeit etwa 2500–4500 m/s. Bei einem wettbewerbsfähigen Antriebssystem muss sich die Radkante mindestens so schnell bewegen.

Die eigentliche Frage ist also: Können wir eine Schleifscheibe bauen, die stark genug ist, um sich mit dieser Geschwindigkeit zu drehen, ohne zu explodieren?

Im Moment lautet die Antwort nein. Die Zugspannung am Rand des Rades ist$\rho r^2 \omega^2 = \rho v^2$, Wo$\rho$ist die Dichte,$r$ist der Radius,$\omega$ist die Winkelgeschwindigkeit, und$v$ist die Geschwindigkeit. Somit ist die Geschwindigkeit, mit der sich die Kante dreht, begrenzt auf$v < \sqrt{TS / \rho}$, Wo$TS$ist die Zugfestigkeit des Materials, aus dem die Schleifscheibe besteht. Von allen Materialien, die wir derzeit im makroskopischen Maßstab herstellen können, hat Kohlefaser mit etwa 4000 kN-m/kg die höchste Zugfestigkeit pro Masseneinheit. Dies ergibt eine maximale Geschwindigkeit von 2000 m/s. Dies ist weniger als die Abgasgeschwindigkeit selbst einer einfachen, relativ ineffizienten chemischen Rakete.

Nehmen wir jedoch an, jemand erfindet eine Methode zur Massenproduktion von Kohlenstoffnanoröhren mit einer Zugfestigkeit von 60 GPa und einer Dichte von 1 g/cm$^3$. Dann könnten wir theoretisch eine Abgasgeschwindigkeit von über 7500 m/s erreichen, was hervorragend ist. In diesem Szenario sieht Ihre Schleifscheibe tatsächlich wie eine wirklich gute Idee aus.

Ich weiß nicht, ob es jemals von jemandem in Betracht gezogen wurde.

Aus meiner Sicht ist dies zumindest aus folgenden Gründen keine gute Idee:

1. Es ist gleichbedeutend damit, Dinge mechanisch rückwärts zu werfen. Sehen Sie sich dieses Video für ein allzu einfaches Beispiel an. Dies ist offensichtlich kein guter Weg für den Vortrieb, da der spezifische Impuls sehr gering ist. Reden wir nur über den Impuls $$p=mv$$ hier, wo$m$ist die "Reaktionsmasse", also die Masse des zu mahlenden Materials, des rückwärts zu werfenden Objekts oder des chemischen Treibmittels.$v$ist die Geschwindigkeit der Reaktionsmasse relativ zum Raumfahrzeug. Die Geschwindigkeit$v$der Funken liegt in der Größenordnung von einigen m/s (gleiche Geschwindigkeit wie die Kante der Schleifscheibe. Bei chemischen Treibmitteln sind es einige km/s. Also für die gleiche Menge$m$der Reaktionsmasse, die Sie tragen, gibt Ihnen der klassische Antrieb einen Faktor von etwa 1000 mehr Impuls als das Schleifen.
2. Das erzeugte Momentum ist irgendwie stochastisch. Wie in Ihrer Grafik zu sehen ist, bilden die Funken einen Kegel statt einer geraden Linie. Während sich die Aufwärts- und die Abwärtsbewegung statistisch gegenseitig aufheben, sind ihre vertikalen Komponenten eine Verschwendung. Dies gilt zugegebenermaßen auch für chemische Raketentriebwerke (und Ionentriebwerke?), aber es wäre in dieser Hinsicht effizienter, einfach etwas Zeug über Bord zu werfen.

Trotzdem mag ich diese Frage, weil ich über den Tellerrand hinaus denke. Nebenbei bemerkt erinnerte mich das Lesen des Titels an diese Passage aus JD Clarks Buch "Ignition!":

FA Tsander in Moskau [...] hatte vorgeschlagen, dass ein Astronaut seinen Treibstoffvorrat erweitern könnte, indem er Phileas Fogg nachahmt. Wenn ein Treibstofftank geleert wurde, könnte der Astronaut ihn einfach zermahlen und das so erhaltene Aluminiumpulver dem verbleibenden Treibstoff hinzufügen, dessen Heizwert entsprechend erhöht würde!

Ich denke, das wurde tatsächlich versucht, aber für nicht gut befunden, weil die Verbrennung der Aluminiumpartikel zu lange dauert, dh sie brennen weiter, nachdem sie die Brennkammer verlassen haben. (Einige?) Feststoffraketentreibstoffe basieren zwar auf Aluminium, aber das ist anders.

Edit: Die jüngsten Nachrichten über gefährlichen Weltraumschrott ließen mich erneut über diese Frage nachdenken. Daher werfe ich einen dritten Nachteil des Schleifantriebs ein: Er würde Tonnen von nicht verfolgbaren Hochgeschwindigkeitspartikeln mit stochastischen Bewegungseigenschaften erzeugen . Sicher, man könnte etwas Sorgfalt walten lassen, um die erwartete Gefahr zu minimieren. Aber mit Tausenden von zusätzlichen Satelliten, die innerhalb des nächsten Jahrzehnts in die Umlaufbahn gebracht werden, könnte es gefährlich sein, einen Schleifantrieb in der Erdumlaufbahn zu verwenden.

Die Kräfte, die beim Durchdrehen eines Rades bei hohen Geschwindigkeiten auftreten, sind enorm. Bei 1600 km/h Felgengeschwindigkeit erfahren die Räder des Bloodhound SSC 50.000 G. Selbst die kleinste Unwucht (z. B. durch ein sich lösendes Schleifkorn) wäre katastrophal.

Selbst wenn es materialtechnisch machbar wäre, vermute ich, dass die Energieeffizienz schrecklich wäre. Um etwas schnell zu drehen, woher soll diese (Rotations-)Energie kommen? Wenn Sie einen Elektromotor verwenden, können Sie ihn einfach zu einem Plasmaantrieb umbauen und ihn (mehr) direkt verwenden. In Ihrem Gerät wird viel dieser Energie durch Reibung in Wärme (des Rades) umgewandelt. Vermutlich könnten Sie diese Wärme zu einem großen Teil recyceln, aber das Zeug dazu fügt bereits eine weitere Ebene der Komplexität hinzu.

Der Antrieb kommt von der Beschleunigung einer Reaktionsmasse.

In diesem Fall dient die Schleifscheibe zwei Zwecken:

1. Trennen Sie kleine Teile des Werkstücks mit einer langsamen und ungefähr gleichmäßigen Geschwindigkeit von der Masse
2. beschleunigen diese Bits durch mechanische Reibung, ähnlich wie ein Tennisballwerfer ein passendes Paar sich gegenläufig ausbreitender Spinnräder verwendet , um eine Kiste voller Tennisbälle einzeln in einer kontrollierten Richtung und Geschwindigkeit zu schießen.

Wie @Muze betont, wäre die Verwendung eines passenden Paares gegenläufiger Spinnräder auch in der Raumfahrt wichtig.

Schritt 1: erfordert viel Arbeit und dafür gibt es im Weltraum keinen Grund. Sie können das Partikel am Boden produzieren, so dass Ihr Treibmittel-"Tank" ein Zufuhrsystem wäre, das Pellets oder Pulver abgibt. Sie könnten zur leichteren Zufuhr und zur Vermeidung elektrostatischer Verklumpungen in einer Flüssigkeit suspendiert werden.

Wenn Sie es im Weltraum produzieren müssen, zum Beispiel wenn Sie Ihre untere Stufe als Reaktionsmasse im Horace-Stil (Monty Python-Referenz) wiederverwenden, können Sie zuerst mit einem separaten Rad mit einer niedrigeren Geschwindigkeit schleifen oder anderweitig formen. Partikel könnten erneut geschmolzen werden, um sie kugelförmig zu machen, und dann für den folgenden Schritt größensortiert werden.

Schritt 2: würde konzeptionell mit einem Mechanismus erreicht werden, der dem eines Tennisballwerfers ähnlich ist. Zwei sich gegenläufig ausbreitende Räder, wobei die Partikelzufuhr in den kleinen Spalt zwischen den Oberflächen der beiden Räder eingeführt wird. Die Partikel müssten monodipers sein, was bedeutet, dass alle eine ziemlich einheitliche Größe haben und etwas kleiner als der Spalt für eine gute Reibung sind. Entweder die Partikel oder die Räder müssten so elastisch komprimierbar sein, dass beim Beschleunigen ein guter Halt gegeben ist, und trotzdem dürfen die Oberflächen dabei nicht so leicht beschädigt werden.

Sie könnten die Räder auch sehr leicht neigen, so dass, wenn Sie einen sortierten Bereich von Partikelgrößen hätten, sie alle mit der geeigneten Spaltbreite eingeführt werden könnten.

Wie @Greg jedoch betont und dann @ Thorondor quantitativ demonstriert , ist es ein echtes Materialproblem , Ihre Räder mit Mach 10 oder schneller zum Drehen zu bringen (für einen (massen-) spezifischen Impuls oder Isp von etwa 300 oder so).

Eine Möglichkeit für Treibmittel wäre eine maximal konzentrierte (im Wesentlichen HCP ) flüssige Suspension von Latex- oder Polymerkugeln, die mit ausreichendem Geld hochmonodispers erhältlich ist . Wenn Sie nicht viel Platz für Treibmittel haben, können vielleicht metallische oder Metalloxid- oder Nitrid-Nanokugeln durch Pyrolyse hergestellt werden .

Horiba Scientific

GIF von Tennisballmaschine DIY - Teil 1 Eine bessere Ansicht eines ähnlichen Mechanismus ist in Tennis Tutor Ballmaschine Mechanik in Betrieb zu sehen .

Die große Herausforderung werden die Kräfte auf der Außenseite des Rads sein, die es auseinanderreißen.

Wir müssen die Zahlen an etwas festmachen, und die einfachste Zahl wäre die Winkelgeschwindigkeit. Zentrifugen zur Urananreicherung im Zippie-Stil arbeiten mit etwa 1.500 Umdrehungen pro Sekunde und sind damit ein guter Maßstab. (Einige Turbolader laufen schneller, bis zu 4.800 Umdrehungen pro Sekunde, aber sie haben eher kleine Durchmesser und sind daher einfacher herzustellen). 1500 U/s sind etwa 9500 rad/s. Seit$v=r\omega$, können wir nach dem Radius des Rades auflösen,$r=\frac{v}{\omega}$. Lassen Sie uns eine eher niedrige Geschwindigkeit anstreben: 500m/s. Chemische Raketen haben Abgasgeschwindigkeiten im Bereich von 2500 bis 4500 m/s, aber wir können eine niedrigere Rate anstreben, weil wir später immer noch tanken können. Das bedeutet, dass wir Räder in der Größenordnung von 50 cm Radius benötigen.

Die genaue Struktur einer Zentrifuge im Zippie-Stil ist ein streng gehütetes Geheimnis, aber Wikipedia gibt eine fiktive Zentrifugengröße von 20 cm oder kleiner an. Das bedeutet, dass unser Rad Kräften widerstehen wird, die ungefähr viermal so hoch sind wie die einer nuklearen Anreicherungszentrifuge. Wohlgemerkt, diese Zentrifugen werden sorgfältig verwaltet, in Vakuumkammern versiegelt und auf Magnetlagern schwebend gehalten. Die Kräfte der beschleunigenden Masse mit der Kante eines dieser Räder werden viel größer sein. Noch wichtiger ist, dass sie außeraxial sind, was für eine Zentrifuge immer schwierig ist.

Die Materialeigenschaften, die wir brauchen, stoßen also an die Grenzen dessen, was in Anreicherungszentrifugen verwendet wird, nur um auf ein Zehntel des ISP einer Rakete zu kommen. Die eigentliche Frage wird also sein, gibt es Missionspläne, bei denen 1/10 des ISP einer Rakete nützlich ist, andere Technologien jedoch unzureichend sind?

Beim Mahlvorgang würde eine enorme Menge an Energie verschwendet werden. Nur ein winziger Bruchteil würde in kinetische Energie umgewandelt: Der Rest würde als Wärme verschwendet, außerdem würde sich Ihr Mahlwerk abnutzen und Sie müssten alle möglichen komplizierten Mechanismen haben, um das Ding am Laufen zu halten.

Sie könnten den Verschleiß und die zum Abschleifen der Partikel erforderliche Energie verringern, indem Sie ein schwächeres Material verwenden.

Aber dann könnten Sie sich einfach entscheiden, die Partikel gar nicht erst abzuschleifen und das Pulver mit einem Spinnrad nach hinten zu werfen, ohne es schleifen zu müssen.

Aber dann können Sie das Pulver einfach ionisieren, die Partikel mit einem elektrischen Feld ausstoßen und das Rad vollständig loswerden. Es wäre viel effizienter.

Dann könnten Sie das Pulver für mehr Effizienz durch Xenon ersetzen.

Und jetzt haben Sie einen Ionenantrieb und die haben wir bereits.

Es gibt zwei Überlegungen: Eine ist ISP, die in mehreren der Antworten diskutiert wird. Die andere ist die Energieeffizienz – wie viele Joule der zugeführten Energie in der ausgestoßenen Treibmittelmasse in kinetische Energie umgewandelt werden.

Wenn Sie eine typische Rakete betrachten, ist die Energieeffizienz überraschend hoch - IIRC etwa 70% der verfügbaren chemischen Energie wird in kinetische Energie der Treibmittelmasse umgewandelt, die entlang der Schubachse ausgestoßen wird (der Rest ist abgestrahlte Abwärme oder Komponenten der Treibmittelgeschwindigkeit senkrecht zur Schubachse).

Die Verwendung eines Kraftwerks, z. B. eines Kernkraftwerks, zur Erzeugung von Strom zum Antrieb eines Motors erfordert mehrere Umwandlungsschritte, von denen jeder Verluste mit sich bringt. Zunächst erzeugt ein Kernreaktor selbst Wärme, die in mechanische Arbeit umgewandelt werden muss (bestenfalls etwa 40 % effizienter IIRC), die dann in Elektrizität (vielleicht 80 % bis 90 % effizienter) und dann in mechanische Arbeit (wieder vielleicht 80 % effizient) umgewandelt wird %-90%).

Die Verwendung einer Kernreaktion zum Erhitzen eines Treibmittels, das Sie direkt ausstoßen ( Atomrakete ), bringt Sie zurück zu der gleichen Art von Energieeffizienz wie chemische Raketen, aber höhere ISPs, weil Sie möglicherweise höhere Temperaturen erreichen können.