Warum kann ein Raumschiff nicht ewig beschleunigen? Denn im Raum gibt es keine Reibung

Zwei Punkte, die helfen können

1. Überlegen Sie, was erforderlich ist, um zu beschleunigen. Du musst etwas über Bord werfen. ¹ Unabhängig davon, wie Ihr Motor arbeitet, wird Ihnen irgendwann der Kraftstoff ausgehen, und an diesem Punkt sind Sie mit dem Beschleunigen fertig.

   Es gibt eine Ausnahme von der Behauptung „Kraftstoff ausgegangen“ und ein mögliches Schlupfloch. Die Ausnahme ist ein Photonenantrieb: Richten Sie einfach einen Laser von der Stelle weg, an die Sie gehen möchten, und warten Sie. Aber das erfordert viel Kraft, wenn Sie nicht bis zum Hitzetod des Universums warten wollen, und früher oder später wird Ihrem Kraftwerk das ausgehen, was es zum Laufen bringt.

   Das mögliche Schlupfloch ist ein Bussard-Staustrahl : ein theoretisiertes System, das das Wasserstoffgas in den Weltraum schöpft, um es als Treibmittel zu verwenden. Selbst wenn sie möglich sind, führen die meisten Annahmen über ihren Betrieb zu einer maximalen Geschwindigkeit, die durch das Gleichgewicht des Widerstands des Stößels gegen den erzeugten Schub gegeben ist.

2. Es gibt nicht wirklich null Reibung.

   Kennen Sie das Wasserstoffgas, von dem ich sagte, dass es der Bussard-Staustrahl verwenden würde? Daraus ergibt sich ein kleiner Luftwiderstand, und für Geschwindigkeiten, die sich erheblich vom lokalen Ruherahmen des CMB unterscheiden, gibt es einen Photonenwiderstand vom linken Überglühen des Urknalls (aber wie der Photonenantrieb ist er sehr klein, es sei denn, Sie bekommen wirklich sehr schnell).

¹ Für die Zwecke dieser Aussage schließe ich Photonen in die Menge von „etwas“ ein.

Solange Sie nutzbare Energie in Ihrem Schiff haben, können Sie damit Ihren Treibstoff unbegrenzt in die entgegengesetzte Richtung beschleunigen, in die Sie beschleunigen möchten. So funktionieren Raketen. Der Treibstoff ist im Grunde etwas, das linearen Impuls in eine Richtung wegträgt, damit das Schiff in der entgegengesetzten Richtung an Impuls gewinnen kann.

Tatsächlich gibt es, wie Sie wissen, keine Reibung im Weltraum. Nun, es gibt ein kleines bisschen, denn der Weltraum ist nicht 100% leer, er hat Spuren von Staub, Wasserstoff und Strahlung. Dieser Staub verursacht jedoch keinen nennenswerten Luftwiderstand, es sei denn, Sie bewegen sich relativ schnell relativ zum Staub (z. B. mit einem erheblichen Bruchteil der Lichtgeschwindigkeit).

Das Problem ist, dass der Weltraum so leer ist, dass es wirklich keine praktische Möglichkeit gibt, Energie für den Antrieb zur Verfügung zu haben, es sei denn, Sie führen sie als Treibstoff mit sich. Es gab einige Vorschläge, die versuchen, diese schwerwiegende Einschränkung zu umgehen, wie der Bussard-Staustrahl und das von Robert Forward vorgeschlagene Laser-Lichtsegel: Der erste versucht, den im Weltraum verfügbaren Wasserstoff als Treibstoff zu nutzen, während der andere einen sehr starken einfängt Laser in einem superleichten Segel und beschleunigt durch den Impuls des Lichts

Wenn das Schiff den Treibstoff trägt, bedeutet dies, dass die für die Beschleunigung aufgewendete Energie nicht nur zur Beschleunigung der Nutzlast, sondern auch zur Beschleunigung der Treibstoffmasse, die Sie mit sich führen, verwendet werden muss! Dies führt zu einer sogenannten Raketengleichung , die die Dichteenergie Ihres Kraftstoffs, das Verhältnis zwischen der Masse des Kraftstoffs und der Nutzlast und die Endgeschwindigkeit, die Sie erreichen können, in Beziehung setzt

Die resultierende Analyse der Raketengleichung zeigt, dass wir bei Brennstoffen wie der chemischen Verbrennung von Wasserstoff mit Sauerstoff (dem effizientesten chemischen Brennstoff, den wir haben) wirklich auf etwa 300 Sekunden beschränkt sind (dies ist eine Einheit namens ISP , die misst, wie effizient Sie sind Brennstoff zur Erzeugung kinetischer Energie)

Wenn Sie andere Brennstoffe wie Kernspaltungsreaktionen oder Kernfusion in Betracht ziehen, können Sie interessantere Wirkungsgrade erzielen. Zum Beispiel schlug das in den siebziger Jahren entwickelte Daedalus-Projekt ein interstellares Raumschiff vor, das 5 Lichtjahre in einer Reise von 80 Jahren erreichen sollte, wobei Fusionspellets als Treibstoff verwendet wurden.

Darüber hinaus untersuchte Eugene Sanger die Verwendung von Antimaterie-Materie-Reaktionen zum Antrieb eines Raumschiffs. Ein solcher Brennstoff wäre theoretisch der effizienteste Brennstoff, der in unserem Universum physikalisch möglich ist, da die resultierende Reaktion die volle Masse-Energie der Teilchen in Strahlung umwandelt (gemäß der Formel$E=m c^2$), wurde dies in absehbarer Zeit als nicht praktikabel erachtet, da die Herstellung von Antimaterie-Brennstoff ineffizient und teuer ist, aber noch wichtiger, weil es äußerst nicht trivial ist, den Brennstoff sicher in einem physischen Behälter so zu lagern, dass kann verwendet werden, um ein Raketenschiff anzutreiben.

BEARBEITEN: Selbst wenn das Raumschiff für immer beschleunigt, wird seine Geschwindigkeit in Bezug auf andere Objekte niemals die Lichtgeschwindigkeit überschreiten$c$. Der Beweis wird unten gegeben.

Betrachten wir folgendes Problem:

Das Raumschiff startet zur Zeit$t=0$von der Erde und bewegt sich mit konstanter Beschleunigung$w$in seinem Ruherahmen . Finden Sie die Entfernung des Raumschiffs von der Erde im Bezugssystem der Erde.

Dies ist ein bekanntes Problem aus der speziellen Relativitätstheorie. Die Antwort lautet wie folgt:

$x=\frac{c^2}{w}(\sqrt{1+\frac{w^2t^2}{c^2}}-1)$. Hier$x$ist eine Entfernung von der Erde.

Das folgende Diagramm veranschaulicht die Abhängigkeit der Entfernung von der Zeit (blaue Linie):

Wenn$wt<<c$erhalten wir klassische Formeln:$v=wt$und$x=\frac{wt^2}{2}$.

wenn$wt→∞$die Geschwindigkeit des Raumschiffs tendiert dazu$c$.

Sie können auch die rote Linie auf dem Diagramm sehen. Dies soll das nach der Zeit demonstrieren$t=\frac{c}{w}$selbst der von der Erde gesendete Laserstrahl würde das Raumschiff nicht einholen können.

Obwohl dies gute Antworten darauf sind, warum von Menschenhand geschaffene Schiffe kaum jemals als ewige oder sogar langfristige Beschleunigungsplattformen fungieren werden, glaube ich nicht, dass OPs auf den technologischen Zusammenbruch abzielten, warum dies so schwer zu erreichen ist, also hier ist meine Ansicht: Im Grunde kann man mit geeigneten Annahmen unendlich beschleunigen. Man nehme perfekt leeren Raum, einen perfekten Motor, schalte CMB aus und du bist gut für endlose Beschleunigung. Aber ... ich denke, das Problem, dass die Leute relativistische Probleme von unten nach oben betrachten. Das zweite Newtonsche Gesetz gilt bei jeder Geschwindigkeit. Wenn Sie zwei zusätzliche Annahmen treffen, nämlich dass die Geschwindigkeit niedrig genug ist und dass Sie es mit konstanten Massen zu tun haben, nur dannSie erhalten den bekannten Zusammenhang zwischen Kraft und Beschleunigung F = ma. Aber in einer Situation, an die Sie denken, ist dies nicht der Fall - wenn Sie ein solches Raumschiff fliegen, können Sie das Schiff mit konstanter Kraft antreiben, wobei Sie konstant Schwung aufnehmen , was sich in einer immer schneller werdenden Bewegung niederschlägt, die sich in der Art und Weise verringert, wie die Geschwindigkeit des Schiffes nähert sich der Lichtgeschwindigkeit, erreicht sie aber in keiner endlichen Zeit. Sie können also so stark Gas geben, wie Sie es aushalten können, gegen Ihren Fahrersitz gedrückt zu werden. Aber da die Verbindung zwischen Kraft und Beschleunigung bei hohen Geschwindigkeiten bricht, können Sie Ihre unendliche Beschleunigung erhalten, aber in immer kleineren Mengen.

Um ein Objekt irgendwo im Universum zu beschleunigen, ist eine äußere Kraft erforderlich. Ein Körper, dem eine Anfangsbeschleunigung gegeben wird, bewegt sich jedoch nach Abzug der Kraft im Raum mit gleichförmiger Geschwindigkeit weiter, es sei denn, er trifft zufällig auf einen Himmelskörper oder tritt in eine Gravitation ein Feld. Zum Beispiel zieht die Erde ein Objekt mit seiner Gravitationskraft an oder beschleunigt es.