Wenn wir Raumschiffe auf dem Mond bauen würden, hätten wir dann mehr Treibstoff für die Reise zum Mars [geschlossen]

Es gibt hier etwas zu viele Unbekannte für eine direkte Antwort, aber es kann gezeigt werden, dass ein kontinuierlicher Schubtransit (auch als Brachistochrone bekannt ) zwischen der Erdumlaufbahn und dem Mars viel mehr Treibstoff verbraucht als ein Abheben von der Erdoberfläche, also die Einsparungen ein Anteil des eingesetzten Kraftstoffs gering sind.

Die Schwerkraft der Erde gut zum Mars, wobei die ganze Zeit über 1 G Schub beibehalten wird (auf halbem Weg beschleunigen und auf halbem Weg verlangsamen).

Zeit: Arithmetik sagt, es würde etwa 35 Tage dauern.

Sie haben nicht sehr sorgfältig darüber nachgedacht! Nach 17 Tagen Schub bei 1 G wären Sie mit über 14000 km/s unterwegs und hätten über 7 Milliarden Kilometer zurückgelegt. Die maximale Entfernung zwischen Erde und Mars beträgt etwa 400 Millionen Kilometer. Ihr Flugplan bringt Sie zum Kuipergürtel, nicht zum Mars!

Um die durchschnittliche Erde-Mars-Entfernung von ~225 Millionen Kilometern mit einem kontinuierlichen Schub von 1 G und einem Überschlag in der Mitte zurückzulegen, dauert es etwas mehr als 3 Tage, vorausgesetzt$t = 2\sqrt{\frac{d}{a}}$Wo$d$ist die Entfernung und$a$ist die Beschleunigung.

Wie viel Treibstoff würde jedoch eingespart, wenn das Schiff von außerhalb des Gravitationsschachts starten würde – sagen wir, dem L2-Erde-Mond-LaGrange-Punkt? Oder wie viel Zeit würde bei gleichem Kraftstoffverbrauch gespart?

Eine wichtige Zahl in der Raketentechnik ist Delta-V oder Geschwindigkeitsänderung. Die Fluchtgeschwindigkeit der Erde beträgt beispielsweise etwas mehr als 11 km/s. Wenn man für den Moment die Auswirkungen des atmosphärischen Widerstands und der Schwerkraft außer Acht lässt, könnte eine Rakete mit einem Delta-V von 11,1 km/s gut der Schwerkraft der Erde entkommen und in den interplanetaren Raum fliegen. Die Schwerkraft des Mondes ist viel geringer, daher beträgt seine Fluchtgeschwindigkeit etwas mehr als 2 km/s. Am Punkt Erde-Mond L2 ist es noch niedriger ... weit unter 1 km/s.

Betrachten wir nun Ihre kontinuierliche 1G-Verbrennungsbahn. Wenn wir den Motor etwa 1,75 Tage laufen lassen, erreichen wir eine Höchstgeschwindigkeit von fast 1500 km/s. Wir müssen dann wieder bis zu einem relativen Stopp verlangsamen. Das erfordert ein Gesamt-Delta-V-Budget von fast 3000 km/s ... etwas mehr als das 270-fache des minimalen Delta-V, das erforderlich ist, um von der Erdoberfläche zu entkommen!

Wenn Sie über eine Raketentechnik verfügen, die stark genug ist, um so viel Schub so lange aufrechtzuerhalten, ist das Verlassen einer tiefen Schwerkraft gut a) kinderleicht, b) billig und c) schnell. Der Unterschied wird vernachlässigbar sein, wenn Sie Umweltprobleme ignorieren.

Sie könnten eine separate Frage zum Betrieb einer Rakete stellen, die in der Erdatmosphäre ein Delta-V von fast 3000 km / s haben könnte. Spoiler-Alarm: Es wird wahrscheinlich eine Menge Antimaterie beinhalten und ein bisschen wie eine kontinuierliche Atomexplosion sein, die einige Minuten andauert und wahrscheinlich mit EMP in großer Höhe endet, was weit verbreitete Probleme auf der ganzen Hemisphäre verursacht, von der die Rakete gestartet wurde. Raketen dieser Leistungsstufe sind außergewöhnlich gefährlich.

Treibstoff: Ich habe irgendwo gelesen, dass dies eine astronomische Menge kosten würde, weshalb wir bei dem Preis, den wir derzeit bekommen, am besten auf eine Art Reisegeschwindigkeit beschleunigen, eine Weile ausrollen (viele Monate) und verlangsamen.

Wenn Sie darauf bestehen, 1G zu verwenden, benötigen Sie diese astronomische Menge an Kraftstoff. Aber dann wird es keinen großen Unterschied zwischen L2 und dem Boden geben. in der Menge an Kraftstoff, die Sie mitnehmen müssen. Aber wenn Sie eine Weile rollen, um Kraftstoff zu sparen, dann sparen Sie keine sinnvolle Zeit.

Zum Mond zu reisen, um aufzutanken (re-tank), ist kein guter Weg, um zum Mars zu gelangen. Zumindest nicht im Moment. Die Details hängen davon ab, welche Treibstoffe Sie verwenden möchten, welche Infrastruktur auf dem Mond vorhanden ist und wo Sie auf dem Mond landen werden.

Wenn Sie vorhaben, mit LOX und LH2 nachzutanken (und das Nachtanken mit diesen beiden Treibmitteln ist am effizientesten), dann sind Sie auf einen polaren Ort beschränkt, an dem sich Eis befindet. Aber Treibmittel müssen noch verbraucht werden, um auf der Oberfläche zu landen, die von der Erde kommen müssen, und viel Treibmittel muss auf den Mond geladen werden, um dem Mond zu entkommen und zum Mars weiterzufliegen. Die Produktion großer Mengen an Treibstoffen auf dem Mond wird in absehbarer Zeit nicht stattfinden.

Das Nachtanken nur mit LOX ist sehr ineffizient, da noch mehr Energie aufgewendet werden muss, um den Treibstoff zu landen, der zum erneuten Abheben benötigt wird. Aber LOX könnte fast überall aus dem Mond-Regolith hergestellt werden.

Beachten Sie, dass es nicht möglich wäre, bis zum Mars mit 1 g zu beschleunigen / abzubremsen. Chemische Triebwerke oder sogar Nukleartriebwerke wären nicht in der Lage, über einen ausreichend langen Zeitraum anhaltenden Schub zu liefern. Ein Schub von 1 g konnte nur minutenlang aufrechterhalten werden, bevor die Treibmittel ausgingen (unabhängig von den Treibmitteln).

Wenn wir Raumschiffe auf dem Mond bauen würden, hätten wir dann mehr Treibstoff für die Reise zum Mars

Ja, Sie sparen Kraftstoff. Die Schwerkraft ist ein konservatives Feld - die Energie, die man aufwendet (oder gewinnt), wenn man sich zwischen zwei Punkten bewegt, ist unabhängig von der Flugbahn gleich.

Mehr oder weniger entspricht die zusätzliche Energie, die Ihnen zur Verfügung steht, wenn Sie die Reise zum Mars von L2 statt von der Erdoberfläche aus starten, der Energie, die Sie benötigen, um L2 von der Erde aus zu erreichen.

Einige Vorbehalte:

• Wenn Sie in ein Gravitationsfeld fallen, wird die Energie, die Sie gewinnen, Ihren Raketentreibstofftank nicht auffüllen
• Beim Start aus der Erdatmosphäre geht eine beträchtliche Menge Energie durch aerodynamische Reibung verloren.
• Während die Energie, die Sie sparen, konstant ist, hängt der Prozentsatz des eingesparten Kraftstoffs vom gesamten erforderlichen Kraftstoff für Ihr Geschwindigkeits-/Zeitregime von diesem Regime ab.

Wie andere betonen, impliziert eine solche kontinuierliche Schubbahn Fähigkeiten, die es ziemlich irrelevant machen, wo Sie beginnen. Sie könnten Ihr Schiff so ziemlich einfach dorthin lenken, wo Sie hinwollen, ohne sich um das Flugbahndesign kümmern zu müssen und nur minimal an die Treibstoffbudgets denken zu müssen.

Echte Raumfahrzeuge führen Verbrennungen mit hohem Schub durch, die in der Regel höchstens zehn Minuten dauern, oder verwenden eine kontinuierliche Beschleunigung mit Triebwerken, die treibstoffeffizient, aber so leistungshungrig sind, dass das Fahrzeug auf Milli-Gee-Beschleunigungen beschränkt ist. Und realistischerweise nutzen diese auch Ausrollzeiten, um in Position zu kommen. Es gibt Teile der Flugbahn, in denen es effektiver ist, Treibmittel zu verbrauchen. Sie können mehr aus dem herausholen, was Sie tragen, wenn Sie vorsichtiger sind, wo Sie es verbrauchen. Der Idealfall ist tatsächlich, dass die Verbrennungen sofort erfolgen, wobei reale Fahrzeuge natürlich auf endliche Beschleunigungen beschränkt sind.

Die Low-Thrust-Flugzeuge sind gute Kandidaten für den Start in der Nähe des Mondes, weil sie Monate des langsamen Herausspiralens durch die Strahlungsgürtel der Erde sparen. Der Mond ist jedoch keine gute Quelle für die besten Treibmittel für diese Systeme, daher müsste das Treibmittel importiert werden ... höchstwahrscheinlich von der Erde.

Was Hochschubfahrzeuge betrifft, ja, sie könnten aus der Mondumlaufbahn mit weniger Treibstoff zum Mars gelangen, als für die Erdumlaufbahn erforderlich wäre. Jedoch:

• Du musst auch zurück. Draußen in der Mondumlaufbahn bedeutet das brennendes Treibmittel, um in die Umlaufbahn zu bremsen. Wenn Sie stattdessen zur Erde zurückkehren, können Sie die Atmosphäre zum Bremsen nutzen, was Ihren Treibstoffbedarf erheblich reduziert (so dass Sie nützliche Nutzlast anstelle von Treibstoff transportieren können).
• Es gibt eigentlich nichts, was der Mond hat, was der Mars nicht hat. Sie müssen Passagiere / Fracht von der Erde holen, und es braucht fast so viel Treibmittel, um sie von LEO in die Mondumlaufbahn zu bringen, wie um direkt zum Mars zu fliegen. Dort anzuhalten macht die Reise tatsächlich teurer.