Welche Auswirkungen hätte ein Treibmittel, das sich nahezu mit Lichtgeschwindigkeit ausdehnt, auf die Schusswaffentechnologie?

Als 1884 rauchloses Pulver eingeführt wurde, stellte sich schnell heraus, dass es die zwei- bis dreifache Energiedichte von herkömmlichem Schwarzpulver hatte und bei Beladung nach Schwarzpulverspezifikationen eine sofortige Zerstörung sowohl der Waffe als auch häufig des Schützen zur Folge hatte.

Die Lösung ist hier die gleiche wie 1884: Weniger Treibmittel verwenden und seine Energiefreisetzung mäßigen. Dies macht es weniger zu einer Antimateriebombe, wie andere Antworten behaupten, und eher zu einer Spaltfragmentrakete , einem aktuellen Vorschlag zur Nutzung relativistischer Teilchen als Treibmittel. Der Unterschied zwischen einem nützlichen Treibmittel und einer Bombe besteht hauptsächlich in der Geschwindigkeit, mit der Energie freigesetzt wird. Wenn Sie relativistische Teilchen mit kontrollierter Geschwindigkeit produzieren können, haben Sie möglicherweise ein nützliches Treibmittel.

Wenn wir also die emittierte Energie so reduzieren, dass sie nicht weit über das hinausgeht, was herkömmliche chemische Treibmittel liefern, wofür ist dieses Treibmittel dann gut? Nun, je schneller sich ein Gas ausdehnen kann, desto höher ist die maximale Geschwindigkeit jedes Projektils, das von ihm angetrieben wird. Es gibt dort also eine Nischenanwendung für diese Technologie:

Hochgeschwindigkeitswaffensysteme

Herkömmliche Schusswaffen haben derzeit Schwierigkeiten, 2 km/s zu erreichen, was eine direkte Folge der Begrenzung der Gasausdehnungsrate ist. Eine derzeit für die wissenschaftliche Forschung verwendete Problemumgehung ist die Leichtgaskanone , die jedoch für militärische Zwecke nie praktikabel war, da eine externe Versorgung mit dem betreffenden Leichtgas erforderlich war.

Railguns und Coilguns waren ein Versuch, dieses Problem vollständig zu umgehen, haben aber ihre eigenen Hindernisse. Die Speicherdichte elektrischer Energie kommt der von chemischen Treibstoffen bei weitem nicht nahe, was sie implizit sperrig und komplex macht.

Mit einem Treibmittel mit hoher Energiedichte und hoher Expansionsgeschwindigkeit können Sie mit einer langläufigen Variante einer eher konventionell angetriebenen Schusswaffe eine Railgun-ähnliche Leistung erzielen. Kolonisten auf einem anderen Planeten können dies entweder für Artillerie mit großer Reichweite oder für Boden-Weltraum-Schüsse nützlich finden.

Dank der Kompaktheit dieser Substanz als Treibmittel gibt es auch eine andere, alltäglichere Anwendung.

Kompakte Munition ohne Gehäuse

Mit Ihrer jetzt so unglaublich kompakten Treibladung ist eine der größten Hürden bei hülsenloser Munition gelöst. Anstatt die Kugel in einen Treibmittelblock einzuschließen , kann eine mikroskopisch kleine Menge Treibmittel an der Rückseite jeder Kugel angebracht werden.

Es gibt damit verbundene technische Hürden, die überwunden werden müssen (die Wärmeableitung durch Hülsen und der Prozess, der mit dem Löschen einer nicht abgefeuerten Patrone verbunden ist, sind die beiden wichtigsten), aber wenn dies realisierbar gemacht werden kann, wird die Munition leichter, einfacher zu transportieren, einfacher zu tragen, und ermöglicht Magazine mit deutlich größerer Kapazität.

(...) Treibmittel, das sich nahezu mit Lichtgeschwindigkeit ausdehnt (...)

Es spielt keine Rolle, ob die Projektile selbst nahezu Lichtgeschwindigkeit erreichen würden ... Allein die Treibstoffe, die dies tun, wären bereits ziemlich gefährlich.

Der allererste XKCD - was wäre wenn Artikel befasst sich genau damit. Das Szenario ist ein Baseball, der mit 90 % der Lichtgeschwindigkeit geworfen wird. Es ist eine sehr unterhaltsame Lektüre, und wie viele andere XKCD-Was-wäre-wenn -Fragen und Fragen mit dem wissenschaftlichen Tag wird jeder, der sich mit dem in der Frage vorgeschlagenen Phänomen befasst, auf sehr spektakuläre Weise in Partikel zerlegt.

TL;DR: Bei nahezu Lichtgeschwindigkeit haben Teilchen mit Masse genug Energie, um Kernreaktionen auszulösen. Hier ist Randall Munroes künstlerische Vorstellung davon, was passiert, wenn die Masse in einem Fall die eines Baseballs ist:

Wir könnten davon ausgehen, dass Ihre fiktiven Munitionstreibstoffe für einen einzigen Schuss erheblich weniger Masse haben als ein Baseball. Unabhängig davon ist der Effekt derselbe ... Der Schütze wird verdampft sein, bevor sein Ziel getroffen wird.

Vielleicht möchten Sie stattdessen eine Laserpistole oder ein Lasergewehr entwickeln? Der Schuss erfolgt mit angemessener Lichtgeschwindigkeit und die Waffe wäre relativ sicherer zu verwenden.

Tatsächlich wollen Sie keine schnellen Treibmittel in Schusswaffen. Folgendes passiert, wenn Sie ein schnell brennendes Pistolenpulver in Gewehrpatronen laden: http://bulletin.accurateshooter.com/2015/01/what-happens-when-you-load-pistol-powder-in-a-rifle- Patrone/

Dies ist nur auf die unterschiedlichen Detonationsraten zwischen zwei Arten von Schießpulver zurückzuführen, die alle als schwach explosiv eingestuft werden. Sprengstoffe wie TNT können Detonationsgeschwindigkeiten haben, die 10x oder mehr höher sind.

Für ein Treibmittel möchten Sie etwas, das ziemlich langsam detoniert, um Ihrer Kugel einen "Schub" zu geben. Hochexplosive Sprengstoffe detonieren so schnell, dass sie einen Schock erzeugen, der das umgebende Material zerschmettert, anstatt es zu schieben.

Eine Kolonie von Menschen hat einen Weg entdeckt, Treibmittel herzustellen, das sich nahezu mit Lichtgeschwindigkeit ausdehnt.

Werfen wir einen Blick darauf, womit wir es hier eigentlich zu tun haben. Ich nehme an, Ihre Absicht ist es, Projektile mit relativistischen Geschwindigkeiten in Gang zu bringen. Wenn Sie sich die Formel für relativistische kinetische Energie ansehen , ist es ziemlich einfach, dies abzuleiten$\sqrt{0.75}c$bedeutet, so viel kinetische Energie wie Ruhemassenenergie zu haben - mit anderen Worten, damit sich ein 10-Gramm-Projektil bei etwa 0,866 c bewegt, müssen Sie 10 Gramm Treibmittel in kinetische Energie für das Projektil mit 100% Effizienz umwandeln (nicht möglich aufgrund des zweiten Hauptsatzes der Thermodynamik) oder etwa 100 Gramm Treibmittel mit 10 % Wirkungsgrad umwandeln.

Nehmen wir an, Sie haben 5-Gramm-Kugeln und Sie können mit Ihrem Treibmittel eine Effizienz von etwa 50% erzielen (dies ist jedoch eine Übertreibung der Glaubwürdigkeit). Sie brauchen also eine Möglichkeit, etwa 10 Gramm Masse sehr schnell in Energie umzuwandeln. Antimaterie . Die Kolonisten benutzen Antimaterie.

Hier ist ein Wikipedia-Link, den ich wirklich mag - Größenordnung (Energie) . Wenn Sie sich dieses Diagramm ansehen$10^{14}$Zeile sehen Sie "Energie, die durch Vernichtung von 1 Gramm Antimaterie und Materie freigesetzt wird". Schauen Sie jetzt auf die$10^{13}$Zeile und beachten Sie diesen Eintrag - "Ertrag der Atombombe von Little Boy, die im Zweiten Weltkrieg auf Hiroshima abgeworfen wurde". 1 Gramm Antimaterie und Materie ist etwa die 3-fache Energieausbeute von Little Boy, also liefern die 10 Gramm, die Sie für ein relativistisches Projektil benötigen, etwa die 30-fache Energieausbeute.

Welche technologischen Raffinessen wären nötig, um sie nutzbar zu machen?

Kurz gesagt, Sie brauchen eine Waffe, die in der Lage ist, einer Nuklearexplosion aus nächster Nähe standzuhalten und sie vollständig auf das zu richten, worauf Sie zielen. (Das Treibmittel ist nicht die große Neuigkeit - Unobtainium, angewandtes Phlebotin, Handwavium oder was auch immer sie zur Herstellung dieser Waffen verwenden, schon.) Selbst dann werden Sie immer noch von all den nuklearen Reaktionen ausgelöscht, die dadurch ausgelöst werden die Waffe mit der ganzen Luft zwischen Ihnen und Ihrem Ziel.

Welche Vor- und Nachteile hätte diese Waffe?

Diese Waffe schießt Atomwaffen. Das ist die einzige wirkliche Art, darüber nachzudenken. Ich werde sagen, es ist nur für lange Reichweiten verwendbar und nur unter Null - Atmosphäre-Bedingungen.

Hinweis: Wie Allan in seiner Antwort sagt , müssen Sie auch etwas gegen den Rückstoß tun. Andernfalls ist Ihre Waffe plötzlich hinter Ihnen (wobei die Teile von Ihnen, die sich hinter der Waffe befinden, nicht mehr mit dem Rest von Ihnen verbunden sind), und Sie möchten nicht aus nächster Nähe vor Ihrer Atomwaffe stehen .

Wenn Sie davon ausgehen, dass die Kugel mit extrem hohen Geschwindigkeiten abgefeuert wird, dann ist das unmittelbare Problem, das Sie haben, der Rückstoß der Waffe, unabhängig davon, was das Treibmittel ist oder tut. Wenn Ihre Kugel mit der 100-fachen Geschwindigkeit einer normalen Waffe abfliegt, haben Sie den 100-fachen Rückstoß in Ihrer Waffe. Vergiss den Schaden, den es deinem Ziel zufügen wird, bedenke stattdessen den Schaden, den es dir zufügen wird. Um dem entgegenzuwirken, benötigen Sie entweder etwas, das die Waffe stützt (z. B. eine angetriebene Rüstung oder eine Waffenhalterung) oder eine Art Trägheitsdämpfung im Star Trek-Stil (das heißt wirklich falsch https://en.wikipedia.org/wiki/Inertia_negation ) . um den Rückstoß jedes Schusses zu verringern oder zu beseitigen.

Ich muss einigen anderen Postern etwas widersprechen. Unter der Annahme vernünftiger Kosten hat dieses Treibmittel tatsächlich einen Nutzen. Sie haben eine einigermaßen stabile Substanz mit Energiefreisetzung auf Antimaterieebene. Wie Mauser vorgeschlagen hat, wäre es ein guter Sprengkopf für Ihre Granate, aber Sie haben nach der Verwendung als Treibmittel gefragt.

Die "Waffe", die ich mir vorstelle, ist zu groß, um mobil zu sein, sie könnte nur als feste Verteidigung für eine hochwertige Installation dienen. Nehmen Sie einen bequemen Berg und bohren Sie ein Loch hinein. Diese ist mit einem großen, aber ansonsten gewöhnlichen Artillerierohr (aber mit glattem Lauf) ausgestattet, und dahinter ist eine beträchtliche Kammer ausgehöhlt. In diese Kammer füllst du einen Haufen Wasser und eine kleine Menge Treibmittel.

Da Sie mit der Waffe keine Schwenkfähigkeit haben, müssen Sie geführte Granaten verwenden. Sie werden auch ein paar davon brauchen (aber Sie werden sie trotzdem brauchen, da diese Waffe eine sehr niedrige Feuerrate haben wird).

Dieses Geschütz kann herkömmliche Artillerie überflügeln. Ein gewöhnliches Artilleriegeschütz hat keine Möglichkeit, seine Granate auf eine Geschwindigkeit zu beschleunigen, die höher ist als die Expansionsgeschwindigkeit dessen, was es antreibt. (Dafür gibt es einige sehr komplexe Problemumgehungen, bei denen zusätzliches Treibmittel bereitgestellt wird, während es in den Lauf fällt, aber selbst diese haben Grenzen.) Ihre Geschwindigkeit wird nur durch das begrenzt, was Ihre Granate während des Starts aushalten kann (längere Läufe erhöhen dies) und was es überleben kann, ohne durch seinen Durchgang durch die Atmosphäre zerstört zu werden.

Beachten Sie, dass etwas dieser Art tatsächlich einen Schuss abgefeuert hat: Das "Treibmittel" war eine Atombombe .

Basierend auf den anderen Antworten ist eine Waffe, Kanone oder ein ähnliches Gerät einfach unpraktisch. Rob Watts hat sich jedoch möglicherweise einen Weg ausgedacht, um die Bedingungen zu erfüllen: Anstelle einer Waffe benötigen Sie eine Antimaterie-Rakete.

Während die Herstellung einer Antimaterie-Rakete in Kugelgröße problematisch sein kann, wenn wir uns eine sehr fortschrittliche Technologie vorstellen, die in der Lage ist, eine Antimaterie-Falle herzustellen, die in ein Projektil in Flaschen- oder Getränkedosengröße passt. Die zehn Gramm schwere Treibladung wartet in einem Vakuum aufgehängt, bis die Rakete abgefeuert wird, woraufhin normale Materie in die Reaktorkammer gelassen wird. Starke Magnetfelder leiten die geladenen Reaktionsteilchen aus der Düse heraus, um Schub zu erzeugen, jedoch wird auch ein Feuerball aus Gammastrahlung erzeugt, also ist dies keine tragbare Waffe.

Einfache Antimaterie-Rakete

Kontrolle und Lenkung der Reaktion. Geladene Mesonen werden von den Magnetspulen geführt. Ungeladene Mesonen und Gammastrahlen treten in alle Richtungen aus

Der Feuerball harter Strahlung tötet jedes Lebewesen in der Nähe, während die intensive Wärmestrahlung alles entflammbare in Brand setzt. Dies wird eine winzige und sehr intensive Version der " SLAM " ( Supersonic Low Altitude Missile ) sein , die in den späten 1950er Jahren entwickelt wurde .

Stellen Sie sich nun vor, dies ist die Größe einer Weinflasche ...

Sie haben ein sehr energiedichtes Treibmittel, es muss nur vorsichtig verwendet werden. Betrachten Sie es nicht als Treibmittel, sondern als den höchsten Sprengstoff. Unten ist ein Rezept für eine sehr effektive Waffe, die auf diesem "Treibmittel" basiert.

1. Geben Sie eine sehr kleine Menge Treibmittel in eine verschmolzene Hülle
2. Feuern Sie mit konventionellen Treibmitteln auf das Ziel

Eine Schusswaffe, die diese Munition abfeuert, wäre wahrscheinlich in der Lage, jedes Fahrzeug oder Gebäude zu zerstören.

Ich denke, die Grenzen liegen in der Stärke der "Waffe" und des Kammerdesigns. Ich hatte diese Idee heute und sie wird nirgendwo erklärt. Verwendung von hochenergetischen Treibstoffen in Kleinwaffen oder höheren Kalibern. Ich würde denken, dass es Grenzen gibt, aber ich bin sicher, dass die Geschossgröße gesenkt, Lauf und Patronenlager stark verstärkt werden könnten. Oder warum nicht ein zweistufiges Geschossdesign? Eine kleine Gebühr, um es zum Laufen zu bringen, und dann eine hochenergetische Raketenkugelmunition? Ich denke immer wieder, dass Waffen, die diese Technologie verwenden, superwinzig sein könnten. Kugeln, die wie Nägel in Magazinen mit superhoher Kapazität aussehen. Mit winzigen Mengen an Treibmittel ist das Gewicht alles Projektil, wenn Sie die Explosion mit vorhandenen Materialien eindämmen können. Vielleicht mit speziellen Belüftungsöffnungen, um sicherzustellen, dass die Waffe nicht explodiert. Viele Fragen.