Was (wenn überhaupt) begrenzt die Effizienz eines Raketentriebwerks?

Zunächst einmal: Thermodynamik !

Eine Rakete wandelt potentielle chemische Energie in kinetische Energie um -> Du brauchst mehr kinetische Energie (= mehr Masse und/oder schnellere Fortbewegung)? Sie benötigen also zunächst mehr chemische Energie. Also ja, Sie haben recht, es gibt diesen Faktor "Effizienz", was bedeutet: Je effizienter Sie sind, desto mehr wandeln Sie einen Teil der chemischen Energie in kinetische Energie um. ABER (irgendwann): Es bedeutet NICHT, dass man aus immer weniger Kraftstoff immer mehr kinetische Energie herausholen kann. Es gibt also tatsächlich einen Punkt, an dem "Effizienz begrenzt ist".

Tatsächlich liegt die Effizienz in Zahlen immer zwischen 0 und 1. Nicht nur bei Raketen, sondern bei allem … wie wirklich allem … beim Drücken der Tasten auf der Tastatur arbeiten deine Muskeln, sie wandeln chemische Energie (Nahrung und Sauerstoff) in Bewegung um, Sie haben einen Wirkungsgrad von (nicht genau) 0,3. Etwa zwei Drittel der benötigten Energie werden also für die Erwärmung Ihres Fingers benötigt. Ein Auto verbrennt (umwandelt) Kraftstoff (chemische Energie) in Bewegung (kinetische Energie), Wirkungsgrad etwa 0,1. Eine elektrische Heizung, die elektrische Energie in Wärme umwandelt, Effizienz fast 1. Klopfen Sie auf Ihren Schreibtisch, um die Badewanne zu heizen, Effizienz fast 0. Eine klassische Glühbirne (wandelt elektrische Energie in Licht um), Effizienz etwa 0,05.

Also zurück zum Thema: „Warum nicht einfach die Effizienz steigern“. Der Wirkungsgrad von Raketen liegt bei etwa 0,678 . Klingt zunächst schlecht, aber die Thermodynamik hat etwas, das als „ Carnot-Effizienz “ bezeichnet wird, was der theoretisch maximale technische Wirkungsgrad für Maschinen ist, die durch Wärme arbeiten. Meistens ergibt sich etwas zwischen 0,6 und 0,7 … was unsere Rakete ziemlich effizient macht.

Aaaaaand: Tatsächlich versuchen eine ganze Reihe von Menschen auf der ganzen Welt, sie effizienter zu machen. Sie können hier und da ein paar Prozent herausholen, aber sie können das Rad nicht neu erfinden.

Zweitens: die Raketengleichung

Wie funktionieren Raketen? Impulserhaltung … Stellen Sie sich vor, Sie sitzen in einem Kanu auf einem See und haben Hämmer an Bord, aber keine Ruder. Um ans Ufer zu kommen, musst du die Hämmer so schnell wie möglich nach hinten werfen, damit sich das Kanu vorwärts bewegt. Irgendwann kannst du die Hämmer nicht schneller werfen, also brauchst du mehr Hämmer, um ans Ufer zu kommen.

Was eigentlich bedeutet: Irgendwann kann man die Abgase seiner Rakete nicht einfach schneller machen (weil: Thermodynamik ), also muss man erst einmal mehr Treibstoff mitnehmen.

Sie wollen mit Ihrem Auto eine größere Tour machen: Besuchen Sie zuerst eine Tankstelle! Für den Einkauf um die nächste Ecke reicht der Rest im Tank.

Und gestatten Sie mir am Ende eine Frage: Verstehe ich Ihre Frage falsch, oder dachten Sie wirklich, niemand hätte daran gedacht, Raketendesigns "einfach zu verbessern"? (Ich bin nicht der Downvoter, aber ich denke, das hat sie/er vielleicht gedacht)

Die vorhandene Antwort ist gut, aber ich möchte einen Teil der Thermodynamik ansprechen: die Düse.

Eine Rakete erzeugt im Wesentlichen Schub, indem sie den Druck (aus der Verbrennung stammend) in die Geschwindigkeit eines Gasstroms umwandelt. Die meisten Raketen, die ihr Salz wert sind, tun dies mit einer konvergierenden-divergierenden Düse, die den Hochdruckfluss einschnürt, bis er Überschall wird, und ihn dann ausdehnt, bis der Druck so weit abfällt, dass es sich nicht mehr lohnt, ihn zu erweitern (weil Sie schließlich sehr groß brauchen Düsen, um das sich ausdehnende Gas aufzufangen – siehe zum Beispiel den Unterschied zwischen dem Merlin-Motor auf Meereshöhe und dem Merlin-Vakuummotor.)

Chemie und Materialien wirken zusammen, um eine angemessene Düsenleistung zu begrenzen. Jedes heiße Gas kann im Wesentlichen nur so stark drücken, was die Abgasgeschwindigkeit des Raketentriebwerks (und damit letztendlich seinen Gesamtwirkungsgrad) begrenzt.

Dies ist ein wesentlicher Faktor dafür, warum ein Ionenmotor so viel effizienter sein kann als Verbrennungsmotoren: Die Abgasgeschwindigkeiten für einen Ionenmotor können viel höher sein als mit jedem Düsenmotor erreichbar. Leider können bestehende Ionentriebwerke derzeit nicht genügend Schub erzeugen, um Verbrennungsmotoren zum Abheben einer Rakete von der Erdoberfläche zu ersetzen, und die dafür erforderlichen Leistungsbereiche liegen viele Größenordnungen über bestehenden Konstruktionen.

Wenn Sie bereit sind, ein wenig flexibel zu sein, was Sie als „Rakete“ definieren, und sich auf eine ziemlich (okay, sehr) verrückte Wissenschaft einlassen, dann gibt es in der Tat eine klar definierte Grenze der Effizienz. Die effizienteste „Rakete“, die Sie herstellen können, ist etwas, das Licht aussendet, und das tut, indem es Masse mit vollständiger Effizienz verbraucht, sodass die gesamte in der Masse enthaltene Energie in Licht umgewandelt wird. Der Weg, dies zu tun, besteht darin, Ihre Rakete mit gleichen Mengen an Materie und Antimaterie zu befeuern (aber selbst dann können Sie wahrscheinlich nicht sehr nahe kommen).

Wenn Sie die Vernichtung vollständig effizient durchführen können, sodass alles, was Sie herausbekommen, Photonen sind, und Sie das Leben so einrichten können, dass all diese Photonen zu Ihrem Impuls beitragen (siehe Anmerkungen unten), dann erhalten Sie diese Gleichung:

Wo$m_0$ist die Startmasse,$m_f$ist die Endmasse und$v \lt c$ist die Endgeschwindigkeit.

Das ist das Beste, was Sie tun können: eine Rakete, die absolut effizient Masse verbraucht und Licht ausspuckt. Hier ist ein Diagramm des Massenverhältnisses ($m_0/m_f$, die Handlung nennt dies "Massenanteil", was falsch ist, sorry) davon$v \in [0, 0.9]$mit$v$in Einheiten wo$c = 1$(oder alternativ habe ich vergessen, die Achse als zu beschriften$v/c$).

Warum das nicht praktikabel ist. Nun, es gibt eine sehr große Anzahl von Gründen, warum ein solches System nicht praktikabel ist: Das ist eine ziemlich verrückte wissenschaftliche Idee.

Die Produktion und Speicherung makroskopischer Mengen an Antimaterie ist, um es milde auszudrücken, eine Herausforderung. Ich weiß nicht, wie viel Antimaterie jemals produziert wurde, aber es ist eine kleine Menge. Das Lagern in großen Mengen wird wirklich schwierig (ich habe wirklich keine Ahnung, wie Sie das machen würden), und die Kosten für einen Fehler sind entsetzlich: Sie möchten wirklich nicht, dass die Stromversorgung ausfällt Ihr Antimaterie-Speichersystem, wenn Sie eine makroskopische Menge des Zeugs haben.

Die Sache mit 100% Effizienz ist ein Problem. Wenn Sie ein Proton mit einem Antiproton kollidieren, erhalten Sie tatsächlich einen Schauer instabiler Teilchen, von denen ich denke, dass sie schließlich alle zu Licht zerfallen müssen, aber nur, wenn Sie dafür sorgen können, dass sie lange genug nahe beieinander bleiben. Und einige von ihnen sind zum Beispiel Neutrinos, die nicht leicht einzudämmen sind, um es milde auszudrücken.

Wenn Sie Elektronen und Positronen kollidieren, erhalten Sie nur Licht. Aber Sie haben jetzt das Problem, dass ein Großteil des erzeugten Lichts in Form von sehr hochenergetischen Photonen (Gammastrahlen) vorliegt und diese mit jedem plausiblen Spiegel sehr schwer effizient zu reflektieren sind. Und man muss auch viele Elektronen und Positronen speichern, entweder indem man sie an Protonen / Antiprotonen als Wasserstoff / Antiwasserstoff anlagert, was macht man dann mit den übrig gebliebenen Protonen und Antiprotonen (die fast die ganze Masse ausmachen!), oder durch einen Ansatz verrückt, sogar nach den Maßstäben der verrückten Wissenschaft.

Aber nun, das ist die theoretische Grenze: Sie können es nicht einmal im Prinzip besser machen mit allem, was als Rakete gelten könnte, abgesehen von radikal neuer Physik.