Was begrenzt derzeit die Geschwindigkeit von Raumsonden?

Es sind teilweise die gleichen Probleme wie beim Startproblem. Wenn Sie mehr Treibstoff in die Treibstofftanks der Raketen füllen, erhöhen Sie die Masse. Um diesen Kraftstoff anzuheben, müssen Sie dann etwas mehr Kraftstoff hinzufügen, um diesen Kraftstoff anzuheben, und so weiter und so weiter.

Ein ähnliches Problem besteht mit dem aktuellen Antriebssystem von Sonden, aber bevor ich darauf eingehe, werde ich (sehr kurz) die Reise im Weltraum erklären, damit wir das Problem verstehen können.

Reisen im Weltraum (unter der Annahme, dass Sie in einer geraden Linie reisen)

Reisen im Weltraum sind nicht dasselbe wie Reisen an Land. Das Reisen an Land erfordert das ständige Verbrennen von Kraftstoff, um die durch Reibung, Luftwiderstand usw. verlorene Geschwindigkeit ersetzen zu können.

Reisen im Weltraum funktionieren nicht auf die gleiche Weise, es erfordert kein konstantes Brennen, es erfordert, dass Sie genug Treibstoff verbrennen, um die Masse auf diese Anfangsgeschwindigkeit zu bringen, und dann genug, um rückwärts zu verbrennen, um sich am Zielort zu verlangsamen.

(Was nicht halb und halb ist, es erfordert mehr verbrannten Kraftstoff, um zu beschleunigen als zu verlangsamen, da der verlangsamte Teil weniger Masse hat, weil wir den verlorenen Kraftstoff, der verbrannt wird, um überhaupt zu beschleunigen, abziehen können.)

Zurück zum Problem

Ok, wir könnten den Sonden einfach mehr Treibstoff hinzufügen, aber dann stoßen wir auf das gleiche Problem wie das Startproblem, das Hinzufügen von zusätzlichem Treibstoff fügt zusätzliche Masse hinzu, die zusätzlichen Treibstoff zum Verbrennen benötigt, um die erhöhte Masse auf dieselbe anzutreiben Geschwindigkeiten, die wir wollten.

Was wir also wirklich wollen, ist eine andere Antriebsmethode als die bestehenden flüssigen und festen Prozesse.

Wie Sie hier sehen können , hat die NASA bereits einige alternative Ideen, die sie für den Antrieb ausprobieren möchten. Ich werde sie unten kurz behandeln, falls der Link stirbt.

Kernthermischer Antrieb

Kernthermischer Antrieb – erhitzt eine Flüssigkeit, normalerweise Wasserstoff, in einem Hochtemperatur-Kernreaktor, der Schub erzeugt, um die Rakete im Weltraum zu bewegen

Die NASA erwartet, dass diese Art von Antriebssystem viel leichter und eine effizientere Methode zum Antreiben von Schiffen im Weltraum ist.

Allerdings hat jeder Silberstreif am Horizont eine Wolke und dies ist keine Ausnahme. Was uns derzeit bei der Verwendung dieses Systems im Weg steht, ist die extreme Schwierigkeit, Wasserstoff in seiner flüssigen Form zu halten.

Wie Sie hier sehen können , muss Wasserstoff bei 20 Kelvin gehalten werden, um in flüssiger Form zu bleiben. Dies wirft viele technische Herausforderungen auf, zunächst um die Temperatur auf ein solches Niveau zu senken, und dann erneut, wenn versucht wird, das Aufheizen des flüssigen Kraftstoffs durch die hohen Temperaturen des Abgases zu verhindern!

Und täuschen Sie sich nicht, die technischen Probleme bei der Verwendung von flüssigem Wasserstoff liegen nicht an mangelnden Versuchen. Tatsächlich gibt es die Idee, flüssigen Wasserstoff als Kraftstoff zu verwenden, mindestens seit den 1950er Jahren!

Plasmabasierter Antrieb

Die NASA untersucht auch ein plasmabasiertes Antriebssystem namens Projekt VASIMR.

Die Idee ist, einen Kernreaktor (wieder) und Wasserstoff (wieder) zu verwenden, um den Wasserstoff zu ionisieren und ihn durch eine magnetische Düse zu blasen.

Natürlich ist dies technisch sehr anspruchsvoll, aber es gibt auch das Problem, dass das Plasma von der Hardware des Schiffes magnetisch abgeschirmt werden muss, oder es verursacht Elektrodenerosion in den Motoren selbst.

(Entschuldigen Sie mein mangelndes Wissen über die Physik, wie dieses Bit tatsächlich funktioniert.)

Ganz zu schweigen davon, dass Sie auch Energie benötigen würden, um die Kernreaktoren in jedem Design anzutreiben.

Fazit

Wir verwenden also wirklich chemische Antriebssysteme, weil die Alternativen technologisch teuer und schwierig sind. Wir werden uns bemühen, die chemischen Antriebssysteme wegen des sich vervielfachenden Kraftstoffproblems stärker voranzutreiben (es sei denn, wir finden effizientere Kraftstoffe). Aber wirklich das größte Problem ist nicht so sehr der Vortrieb, sondern die Distanz!

Zum Beispiel umkreist uns die Raumstation derzeit mit etwa 18.000 Meilen pro Stunde und umkreist die Erde einmal alle 90 Minuten.

Das Apollo-Raumschiff, das zum Mond flog, war mit etwa 24.000 Meilen pro Stunde schneller unterwegs . Diese Arten von Geschwindigkeit sind für Reisen auf der Erde undenkbar, da sie hundertmal schneller sind als jeder Jet.

Mein Argument beruht also wirklich auf diesen Punkten, Kraftstoffproblem, Mangel an einfachen Alternativen, Kraftstoffkosten, schiere Entfernung.

Im Moment besteht die primäre Grenze darin, dass wir mit Reaktionsantrieben feststecken, was bedeutet, dass Sie Treibmasse aufwenden müssen, um das Raumschiff zu beschleunigen. Ihr Gesamt-ΔV (Geschwindigkeitsänderung) ist also durch die Menge an Treibstoff, die Sie transportieren können, und die Effizienz Ihrer Motoren begrenzt, wie in der Tsiolkovsky-Raketengleichung angegeben

wobei MR das Massenverhältnis ist

Das unbemannte Dawn-Raumschiff verwendet einen Ionenmotor mit einem spezifischen Impuls (I _sp ) von 3100 Sekunden, was derzeit der effizienteste verwendete Motor ist, den ich kenne. Wenn das Raumfahrzeug seine eigene Masse an Treibstoff mit sich führt ($M_{spacecraft} = M_{propellant}$, für einen MR von 2) bedeutet dies, dass wir ein Gesamt-ΔV von ~ 21057 m / s erhalten können. Schnell, aber nicht schnell interstellar reisen. Wenn das Raumschiff das 9-fache seiner Masse an Treibstoff trägt (MR = 10), können wir bis zu ~69953 m/s erreichen. Besser, aber immer noch nicht gut genug für den interstellaren Flug. Damit ein Dawn-ähnliches Raumschiff 0,01 c (~ 3.000.000 m/s) erreicht, bräuchten wir ein Massenverhältnis in der Größenordnung von$5.0 * 10^{41}$. ¹

Es gibt eine praktische Obergrenze dafür, wie viel Masse wir von der Erdoberfläche abfeuern können, was die Menge an Treibstoff einschränkt, die wir mit dem Raumschiff schicken können.

Es gibt zwei Möglichkeiten, das Problem zu umgehen – eine besteht darin, das Raumschiff mit EM-Strahlung gegen ein Segel zu beschleunigen. Es gibt ein Projekt namens Breakthrough Starshot , das eine bodengestützte Bank von Terawatt-Lasern verwenden möchte, um ein Raumschiff im Grammmaßstab innerhalb von etwa 10 Minuten auf 0,2 c (59958491 m/s) zu beschleunigen. Es gab auch zahlreiche Ideen, ein Segel mit dem Sonnenwind von der Sonne zu verwenden.

Die andere besteht darin, einen echten reaktionslosen Antrieb zu schaffen (wie den Alcubierre-Antrieb oder den EmDrive ), der eine Reihe von Problemen hat (nicht zuletzt, wie Sie die Erhaltung des Impulses und ähnliches umgehen).

Einfach ausgedrückt: Kraftstoff- und Antriebseffizienz.

Basierend auf der Kraftstoffladung an Bord und der Effizienz des Antriebs beim Umwandeln dieses Kraftstoffs in eine Vektoränderung ist eine maximal mögliche Vektoränderung möglich.

Um für eine bestimmte Zeit zu beschleunigen (was ein Synonym für Vektoränderung ist), ist eine festgelegte Kraftstoffmenge erforderlich. Der gesamte Treibstoff muss an Bord sein, und es gibt keine Möglichkeit, während des Fluges effektiv aufzutanken.

So kombinieren sich Kraftstoff und Antriebseffizienz zu einem maximalen Gesamtvektor.

Und Gesamtvektor ist ein Synonym für Geschwindigkeit.

Es wird dadurch begrenzt, wie leistungsfähig und dicht wir Laser herstellen können. Ein Lasersegelkonzept umgeht die Probleme des Treibmittels und der Raketengleichung und bietet so das Versprechen der höchsten erreichbaren Geschwindigkeiten. Natürlich wäre es nicht einfach .

Das Delta-V, das ein Raumfahrzeug erreichen kann, hängt von der Raketengleichung ab . Es kommt auf den Anteil der Gesamtmasse an, der als Treibmittel ausgestoßen werden kann, und auf die Geschwindigkeit dieser ausgestoßenen Masse. Die Geschwindigkeit der ausgestoßenen Masse hängt von der Menge der gespeicherten Energie ab, die in kinetische Energie umgewandelt werden kann.

Chemische Raketen haben nur so viel chemische Energie in den Reaktanten gespeichert (die auch die Treibmittelmasse sind), was die Grenzgeschwindigkeit des ausgestoßenen Treibmittels bestimmt, was dem erreichbaren Delta-V des Fahrzeugs eine Obergrenze auferlegt.

Das Umschalten auf eine andere Antriebsart, bei der die Treibmasse mit viel höherer Geschwindigkeit ausgestoßen wird, kann theoretisch ermöglichen, dass ein Fahrzeug viel höhere Geschwindigkeiten erreicht. Natürlich setzt dies die Verfügbarkeit einer Energiequelle voraus, die viel mehr nutzbare Energie pro Brennstoffmasseneinheit speichern kann – wie etwa Kernenergie – und wirft die Frage auf, wie man den Treibstoff beschleunigt.

VASIMIR ist ein Beispiel für eine Schubtechnologie, die ihre Abgase mit weitaus höherer Geschwindigkeit ausstößt, als dies mit chemischen Treibmitteln möglich wäre. Es ist möglicherweise nicht die Technologie, um eine interstellare Sonde anzutreiben (mehrere Faktoren scheinen das Delta-V zu begrenzen, das es auf ein Raumfahrzeug anwenden könnte), aber eine andere Technologie, die darauf abzielt, dasselbe zu tun (Abgas mit sehr hoher Geschwindigkeit), könnte es tun.

Bis zu einem gewissen Grad geht es um Geld – um die Erforschung und Entwicklung neuer Antriebstechnologien zu finanzieren. Aber es kommt auch auf grundlegende Physik an.

Ganz allgemein gesagt funktioniert ein Reaktionsmotor, indem er Energie nach hinten abgibt, um eine Bewegung nach vorne zu erzeugen. Nun, laut Physik der High School ist die Energie, die wir erhalten, wenn wir ein Stück Masse (in unserem Fall Treibmittel) werfen

Je schneller wir also die Masse auswerfen, desto mehr Energie pro Masseneinheit erhalten wir. In der Raketentechnik wird dies als Auspuffgeschwindigkeit ($Ve$), mit einer abgeleiteten Größe namens Spezifischer Impuls ($Isp$). Höhere Geschwindigkeiten entsprechen einem besseren Wirkungsgrad, bis zur absoluten Maximalgeschwindigkeit von$c$, an welchem ​​Punkt die Highschool-Mathematik zusammenbricht und die Gleichung beginnt, ähnlicher auszusehen

Während Photonen die maximal mögliche kinetische Energie pro Masseneinheit packen ( wie Photonen kinetische Energie haben, ohne Masse zu haben, ist mir schleierhaft, aber sie tun es. Nennen wir es der Einfachheit halber einfach Masse ), ist ihre Masse unermesslich klein. Ihre Taschenlampe mag der absolute Höhepunkt der Effizienz sein, aber ihre tatsächliche Schubkraft ist praktisch nichts. Es würde Jahre dauern, bis Sie bemerken, dass sich Ihre Taschenlampe bewegt hat, was uns zu einem anderen Problem bringt.

Während es Jahre dauern würde, bis sich Ihre Taschenlampenrakete in Bewegung setzt, würde es nur Stunden dauern, bis die Batterien leer sind. Um unserer Photonenrakete die Lebensdauer und Energie zu geben, um überhaupt irgendetwas zu tun, müssten wir ein kleines Kernkraftwerk verwenden, um sie zu befeuern. Mit all dieser zusätzlichen Masse wird unsere ohnehin schon winzige Beschleunigung von Hunderten Tonnen Reaktor zerquetscht.

Technologien wie Ionenantriebe und VASMIR sind mit ähnlichen Einschränkungen konfrontiert. Um genügend Energie in ihre Reaktionsmasse einzubringen, um effizient zu sein , müssen sie den Treibstofffluss auf ein winziges Rinnsal reduzieren, was es sein könnte, was bedeutet, dass sie einen sehr, sehr geringen Schub haben . Darüber hinaus benötigen sie auch große Mengen an elektrischem Strom, was bedeutet, dass sie mit dem gleichen Problem konfrontiert sind wie unsere nuklearbetriebene Taschenlampenrakete.

Unter Berücksichtigung all dessen wäre der heilige Gral der Raketentechnik ein Motor mit hohem Schub und hohem Wirkungsgrad. Es gibt nur wenige derzeit theoretische Anwärter auf den Titel, wie zum Beispiel die Zurbin NSWR oder Project Orion . Die meisten, wenn nicht alle, haben einige ziemlich schwerwiegende Nachteile, und da einer von ihnen den Einsatz von Atomwaffen als Antrieb beinhaltet , ist es unwahrscheinlich, dass er in absehbarer Zeit finanziert wird.