Müssen einige Dinge auf der Erde getestet werden, bevor ein Raumschiff auf eine Flugbahn gebracht wird, die einen erheblichen Bruchteil der Lichtgeschwindigkeit zurücklegt?

Question

Müssen einige Dinge auf der Erde getestet werden, bevor ein Raumschiff auf eine Flugbahn gebracht wird, die einen erheblichen Bruchteil der Lichtgeschwindigkeit zurücklegt?

Kosmos
Gesundheit
Kommunikation
Design-Alternative
Kernantrieb
interstellar-reisen

Freigabe

Abgesehen von Teilchenbeschleunigern haben wir meines Erachtens kein Makroobjekt dazu gebracht, auch nur annähernd die Geschwindigkeiten zu erreichen, die für Raumfahrzeuge wie das in Project Orion geplante geplant sind .

Aber würde man zuerst etwas lernen, wenn man versucht, ein Objekt mit einer Masse von mehreren kg mit beispielsweise 1% in Bewegung zu bringen? $c$ , vor allem, wenn wir ein Tier in ein solches Fahrzeug setzen könnten? Sicherlich würde man Menschen nicht (irgendwann) auf 1% schicken $c$ Reise ohne solche Experimente?

Das Problem ist natürlich, dass es vielleicht keine gute Möglichkeit gibt, solche Geschwindigkeiten auf der Erde zu erreichen, obwohl ich vermuten würde, dass so etwas wie ein Zyklotron (mit einigen größeren Modifikationen) dies tun könnte, außer dass die Zentrifugalkräfte vielleicht zu groß wären. Und ein Linearbeschleuniger-Ansatz ist möglicherweise überhaupt nicht praktikabel/möglich/sicher.

Hätte es dennoch einen Vorteil, Probleme mit Kommunikation, Kontrolle und vielleicht sogar der Gesundheit der Besatzung zu testen, bevor man Menschen auf eine solche Reise ins All schickt?

BEARBEITEN: Für mich ist der interessanteste Teil der Frage, ob es einen plausiblen Weg gibt, ein Makroobjekt auf der Erde auf 0,01 ° C zu beschleunigen - vielleicht ist dies, wie bereits erwähnt, aufgrund vieler praktischer Dinge auf der Erde praktisch nicht möglich Probleme. Ich weiß, dass Railguns nicht einmal annähernd diese Geschwindigkeit liefern und die Beschleunigung, die sie erzeugen, wahrscheinlich herkömmliche Elektronik zerstören würde, ganz zu schweigen davon, was mit einem Menschen oder einem Tier passieren würde.

Ich denke, ich habe Recht, wenn ich sage, dass eine kreisförmige Bahn auch eine destruktive Beschleunigung erzeugen würde.

Last Edit: Meine Frage ist nicht, ob solche Reisen geplant sind, sondern ob sie geplant wurden, ob erdgebundene Tests möglich sind oder nicht, ob es eine gute Idee ist (was natürlich wäre) und schließlich, wie solche Tests ablaufen Die Erde wäre fertig.

Organischer Marmor

„Sie haben doch sicher nicht vor, Menschen ohne solche Experimente auf eine Reise mit 1 % C zu schicken?“ Das plant überhaupt niemand.

Freigabe

Niemand plant überhaupt eine 1% c Reise? oder nicht auf einem ohne erdgebundene Experimente zuerst und wenn ja, wie werden solche Geschwindigkeiten auf der Erde erreicht?

David Hammen

Ich stimme dafür, diese Frage zu schließen, da dies überhaupt niemand plant.

äh

Ich habe den Wortlaut Ihrer Frage angepasst, damit er besser zur Website passt. Die Beschwerden waren, dass dies in absehbarer Zeit nicht passieren wird, daher war es trivial, diese bestimmte Prämisse zu streichen und eine beantwortbare Frage zu hinterlassen. Fühlen Sie sich frei, weitere Anpassungen vorzunehmen, wenn Sie mit der Formulierung unzufrieden sind, und Willkommen im Weltraum!

Freigabe

@DavidHammen: Wie können Sie sagen, dass niemand eine 1% c-Raumfahrt plant, wenn man bedenkt, dass dies vor 60 Jahren geplant war und in jüngerer Zeit mit Antimaterie- und Lichtsegeln diskutiert wird? Ich würde vermuten, dass angesichts des extrem großen Engagements von Musk und Bezos bereits Teams daran arbeiten könnten, wenn auch nur für interplanetare Reisen.

Steve Linton

@releeabe Angesichts der Tatsache, wie schwierig es ist, die etwa 16 km / s zu bewältigen, die erforderlich sind, um von der Erde zum Mars zu gelangen, glaube ich nicht, dass irgendjemand etwas tut, was man als "Planung" für 3000 km / s bezeichnen könnte. Diskussionen, Spekulationen, müßiges Geschwätz in der Kaffeestube, Konstruktionsprojekte von Studenten der Ingenieurschule, die eine oder andere Machbarkeitsberechnung für fortschrittliche NASA-Projekte, sicher, aber nichts, was an Planung erinnert. Übrigens, bei 1%c beträgt die Beschleunigung, die erforderlich ist, um die Bahn um den Äquator der Erde zu krümmen, ohne ins All zu fliegen, etwa 140 000 g, also nicht wirklich für Tiere geeignet.

David Hammen

@releseabe - Die NASA, das US-Verteidigungsministerium, das US-Energieministerium und ähnliche Agenturen weltweit finanzieren kleine Studien darüber, was die meisten als Cockamamie-Ideen betrachten würden. Diejenigen Agenturen, die in die Zukunft blicken, wären nachlässig, wenn sie solche Studien nicht finanzieren würden. Die moderne Ära (Internet, Mobiltelefone, Laptops, Desktop-Computer) geht auf das Jahr 1945 zurück, als Vannevar Bush As We May Think schrieb . Aber für jedes As We May Think gibt es Dutzende von Think-Tank-finanzierten Studien, die wirklich verrückte Ideen sind.

David Hammen

As We May Think hat das Internet, die Mobiltelefonkommunikation und die Demos von The Mother of All direkt inspiriert . Aber es hat Project Xanadu auch direkt inspiriert . Für jedes gute Konzept, das aus einem großartigen Konzept hervorgeht, gibt es ein Dutzend weniger gute Konzepte. Das ist die Mathematik der Forschung. Aber ohne diese anfänglichen verrückten Ideen gäbe es keinen Fortschritt. Welche dieser verrückten Ideen Unsinn und welche gewaltig sind, lässt sich im Voraus nicht sagen.

Benutzer21103

Es ist relativ einfach, dies für plausible interplanetare Reisen zu zeigen, wenn Sie möchten

v_{max} \approx 0.01 c

$v_{\text{max}} \approx 0.01c$ dann können Sie keine leichten Segel verwenden (Sie erreichen das Ziel lange bevor Ihre Geschwindigkeit so hoch wird). Wenn Sie sich einen Ionenantrieb mit erstaunlich hohem Schub vorstellen, dann gibt Ihnen die Raketengleichung Startmassen von Millionen Tonnen für jede Tonne, die Sie irgendwohin bringen wollen. Chemische Raketen sind viel schlimmer.

Peterh

0,01 c mit 10 g konstanter Beschleunigung würde einen 11 Millionen km langen Kanal benötigen. Die Beschleunigung würde 15000 Sekunden dauern (unwahrscheinlich, dass ein Mensch sie so lange überleben könnte).

Peterh

@tfb Ideal

D_{2} \to^{4} H e

$\rm{D_2 \rightarrow {}^4 He}$ , der das Erschaffene zurückschießt

^{4} H e

$\rm{ {}^4 He}$ , hat ganz gute Ergebnisse, es ist lustig, es zu berechnen :-) Damit sind 0,1c möglich. Es könnte in einem Papier möglich sein, das von einem ITER-Ingenieur mit einem Hobby eines Science-Fiction-Autors geschrieben wurde.

Benutzer21103

@peterh-ReinstateMonica: weißt du was die

v_{e}

$v_e$ dieser Dinge ist?

Peterh

@tfb

ν_{e}

$\nu_e$ Elektronneutrino ist. Aber es erscheint nicht in einem Ideal

D_{2}

$D_2$ Verschmelzung. Normal

D_{2}

$D_2$ Verschmelzung entsteht

^{4} H e

${}^4 He$ nur sehr selten, typischerweise

D_{2} \to T + p

$D_2 \rightarrow T + p$ oder

D_{2} \to^{3} H e + n

$D_2 \rightarrow {}^3 He + n$ passiert, und es gibt keinen bekannten Weg, es ideal zu machen. Abgesehen davon, dass ein fusionsgetriebener Ionenantrieb schon jetzt aus technischen Gründen Sci-Fi ist, ist dies auch ein theoretischer Grund, warum Sci-Fi für einen solchen Antrieb benötigt wird. Ich hoffe, ich habe richtig verstanden, was Sie fragen.

Benutzer21103

@peterh-ReinstateMonica: Entschuldigung, ich war verwirrend! von

v_{e}

$v_e$ Ich meinte die Abgasgeschwindigkeit (damit ich sie in die Raketengleichung einsetzen konnte ...). Aber wenn dies noch mehr Scifi als ein Ionenantrieb mit hohem Schub ist, denke ich, dass ich es ignorieren werde (ich bin dabei, meine Antwort zu erweitern, um zu zeigen, wie absurd das Ganze ist).

Peterh

@tfb Das ist einfach zu berechnen: doppelte Masse von Deuteron minus Masse von He4, multipliziert mit

c^{2}

$c^2$ . Das ist die gesamte freigesetzte Energie einer solchen Fusion. Wenn es in die kinetische Energie des Alpha-Teilchens gehen kann (ein weiteres Sci-Fi,

\approx

$\approx$ 30%-60% oder Effektivität ist realistisch), dann können wir die Ausstoßgeschwindigkeit der Alphateilchen berechnen. Es liegt in der Größenordnung von

c

$c$ , vielleicht 0,1 c oder so.

Peterh

@tfb Vielleicht könnte eine Hardcore-QFT-Zauberei, erweitert um die Steuerung der Felder auf Nanoebene, es besser machen. Natürlich können wir mit QFT keinen Maxwell-Daemon machen, aber vielleicht wäre es mit auf Nanoebene kontrollierten Feldern möglich, dass wir konvertieren

D_{2}

$D_2$ zu schnell, unidirektional

H e_{4}

$He_4$ Strahlung. Die Entwicklung der Maschine würde wahrscheinlich Quantencomputer erfordern. Das Raumschiff würde noch einige Jahrhunderte brauchen, um Alpha Centauri zu erreichen.

Peterh

@tfb Ich habe es berechnet, die Abgasgeschwindigkeit wäre relativistisch,

\approx 0.7 c

$\approx 0.7c$

Benutzer21103

@peterh-ReinstateMonica: danke. Es beschwert sich über Kommentare bei mir, aber wenn ich eine Frage dazu stellen würde, würden Sie eine Antwort geben? Mir ist klar, dass es eine ziemliche Science-Fiction-Sache ist, aber es scheint, als ob es zum Thema gehört.

Antworten (3)

Müssen einige Dinge auf der Erde getestet werden, bevor ein Raumschiff auf eine Flugbahn gebracht wird, die einen erheblichen Bruchteil der Lichtgeschwindigkeit zurücklegt?

„Sie haben doch sicher nicht vor, Menschen ohne solche Experimente auf eine Reise mit 1 % C zu schicken?“ Das plant überhaupt niemand.
Niemand plant überhaupt eine 1% c Reise? oder nicht auf einem ohne erdgebundene Experimente zuerst und wenn ja, wie werden solche Geschwindigkeiten auf der Erde erreicht?
Ich stimme dafür, diese Frage zu schließen, da dies überhaupt niemand plant.
Ich habe den Wortlaut Ihrer Frage angepasst, damit er besser zur Website passt. Die Beschwerden waren, dass dies in absehbarer Zeit nicht passieren wird, daher war es trivial, diese bestimmte Prämisse zu streichen und eine beantwortbare Frage zu hinterlassen. Fühlen Sie sich frei, weitere Anpassungen vorzunehmen, wenn Sie mit der Formulierung unzufrieden sind, und Willkommen im Weltraum!
@DavidHammen: Wie können Sie sagen, dass niemand eine 1% c-Raumfahrt plant, wenn man bedenkt, dass dies vor 60 Jahren geplant war und in jüngerer Zeit mit Antimaterie- und Lichtsegeln diskutiert wird? Ich würde vermuten, dass angesichts des extrem großen Engagements von Musk und Bezos bereits Teams daran arbeiten könnten, wenn auch nur für interplanetare Reisen.
@releeabe Angesichts der Tatsache, wie schwierig es ist, die etwa 16 km / s zu bewältigen, die erforderlich sind, um von der Erde zum Mars zu gelangen, glaube ich nicht, dass irgendjemand etwas tut, was man als "Planung" für 3000 km / s bezeichnen könnte. Diskussionen, Spekulationen, müßiges Geschwätz in der Kaffeestube, Konstruktionsprojekte von Studenten der Ingenieurschule, die eine oder andere Machbarkeitsberechnung für fortschrittliche NASA-Projekte, sicher, aber nichts, was an Planung erinnert. Übrigens, bei 1%c beträgt die Beschleunigung, die erforderlich ist, um die Bahn um den Äquator der Erde zu krümmen, ohne ins All zu fliegen, etwa 140 000 g, also nicht wirklich für Tiere geeignet.
@releseabe - Die NASA, das US-Verteidigungsministerium, das US-Energieministerium und ähnliche Agenturen weltweit finanzieren kleine Studien darüber, was die meisten als Cockamamie-Ideen betrachten würden. Diejenigen Agenturen, die in die Zukunft blicken, wären nachlässig, wenn sie solche Studien nicht finanzieren würden. Die moderne Ära (Internet, Mobiltelefone, Laptops, Desktop-Computer) geht auf das Jahr 1945 zurück, als Vannevar Bush As We May Think schrieb . Aber für jedes As We May Think gibt es Dutzende von Think-Tank-finanzierten Studien, die wirklich verrückte Ideen sind.
As We May Think hat das Internet, die Mobiltelefonkommunikation und die Demos von The Mother of All direkt inspiriert . Aber es hat Project Xanadu auch direkt inspiriert . Für jedes gute Konzept, das aus einem großartigen Konzept hervorgeht, gibt es ein Dutzend weniger gute Konzepte. Das ist die Mathematik der Forschung. Aber ohne diese anfänglichen verrückten Ideen gäbe es keinen Fortschritt. Welche dieser verrückten Ideen Unsinn und welche gewaltig sind, lässt sich im Voraus nicht sagen.
Es ist relativ einfach, dies für plausible interplanetare Reisen zu zeigen, wenn Sie möchten $v_{\text{max}} \approx 0.01c$ dann können Sie keine leichten Segel verwenden (Sie erreichen das Ziel lange bevor Ihre Geschwindigkeit so hoch wird). Wenn Sie sich einen Ionenantrieb mit erstaunlich hohem Schub vorstellen, dann gibt Ihnen die Raketengleichung Startmassen von Millionen Tonnen für jede Tonne, die Sie irgendwohin bringen wollen. Chemische Raketen sind viel schlimmer.
0,01 c mit 10 g konstanter Beschleunigung würde einen 11 Millionen km langen Kanal benötigen. Die Beschleunigung würde 15000 Sekunden dauern (unwahrscheinlich, dass ein Mensch sie so lange überleben könnte).
@tfb Ideal $\rm{D_2 \rightarrow {}^4 He}$ , der das Erschaffene zurückschießt $\rm{ {}^4 He}$ , hat ganz gute Ergebnisse, es ist lustig, es zu berechnen :-) Damit sind 0,1c möglich. Es könnte in einem Papier möglich sein, das von einem ITER-Ingenieur mit einem Hobby eines Science-Fiction-Autors geschrieben wurde.
@peterh-ReinstateMonica: weißt du was die $v_e$ dieser Dinge ist?
@tfb $\nu_e$ Elektronneutrino ist. Aber es erscheint nicht in einem Ideal $D_2$ Verschmelzung. Normal $D_2$ Verschmelzung entsteht ${}^4 He$ nur sehr selten, typischerweise $D_2 \rightarrow T + p$ oder $D_2 \rightarrow {}^3 He + n$ passiert, und es gibt keinen bekannten Weg, es ideal zu machen. Abgesehen davon, dass ein fusionsgetriebener Ionenantrieb schon jetzt aus technischen Gründen Sci-Fi ist, ist dies auch ein theoretischer Grund, warum Sci-Fi für einen solchen Antrieb benötigt wird. Ich hoffe, ich habe richtig verstanden, was Sie fragen.
@peterh-ReinstateMonica: Entschuldigung, ich war verwirrend! von $v_e$ Ich meinte die Abgasgeschwindigkeit (damit ich sie in die Raketengleichung einsetzen konnte ...). Aber wenn dies noch mehr Scifi als ein Ionenantrieb mit hohem Schub ist, denke ich, dass ich es ignorieren werde (ich bin dabei, meine Antwort zu erweitern, um zu zeigen, wie absurd das Ganze ist).
@tfb Das ist einfach zu berechnen: doppelte Masse von Deuteron minus Masse von He4, multipliziert mit $c^2$ . Das ist die gesamte freigesetzte Energie einer solchen Fusion. Wenn es in die kinetische Energie des Alpha-Teilchens gehen kann (ein weiteres Sci-Fi, $\approx$ 30%-60% oder Effektivität ist realistisch), dann können wir die Ausstoßgeschwindigkeit der Alphateilchen berechnen. Es liegt in der Größenordnung von $c$ , vielleicht 0,1 c oder so.
@tfb Vielleicht könnte eine Hardcore-QFT-Zauberei, erweitert um die Steuerung der Felder auf Nanoebene, es besser machen. Natürlich können wir mit QFT keinen Maxwell-Daemon machen, aber vielleicht wäre es mit auf Nanoebene kontrollierten Feldern möglich, dass wir konvertieren $D_2$ zu schnell, unidirektional $He_4$ Strahlung. Die Entwicklung der Maschine würde wahrscheinlich Quantencomputer erfordern. Das Raumschiff würde noch einige Jahrhunderte brauchen, um Alpha Centauri zu erreichen.
@tfb Ich habe es berechnet, die Abgasgeschwindigkeit wäre relativistisch, $\approx 0.7c$
@peterh-ReinstateMonica: danke. Es beschwert sich über Kommentare bei mir, aber wenn ich eine Frage dazu stellen würde, würden Sie eine Antwort geben? Mir ist klar, dass es eine ziemliche Science-Fiction-Sache ist, aber es scheint, als ob es zum Thema gehört.

Benutzer21103 · Answer 1

Zunächst einmal sind wir zuversichtlich genug, dass die spezielle Relativitätstheorie richtig ist, dass wir wissen, dass wir uns über die Geschwindigkeit als solche keine Sorgen machen müssten: Jeder fährt die ganze Zeit mit einer beliebigen Geschwindigkeit, die Sie unterschreiten möchten $c$ relativ zu etwas , und wir explodieren nicht alle oder sterben oder so. Wir wissen auch, wie man mit den damit verbundenen Fragen rund um die Kommunikation umgeht. Das ist alles sehr gut erprobte Physik.

Dinge schlagen

Womit Sie sich sicherlich auseinandersetzen müssten, ist das Problem, dass das Raumschiff im Weltraum auf Schmutz (Staub, Gas) trifft, der im Rahmen der Sonne mehr oder weniger stationär ist, aber in seinem Rahmen sehr viel nicht stationär ist. Wenn Sie etwas mit einer Masse von treffen $.01\,\mathrm{g}$ dann wird es umkippen $5\times 10^7 \,\mathrm{J}$ Energie in dich hinein. Ich mache das gleichbedeutend mit ca $10\,\mathrm{kg}$ von TNT. Dies ist wahrscheinlich ein erhebliches Problem für jedes Fahrzeug, das beabsichtigt, mit einem erheblichen Bruchteil von zu fahren $c$ : Auswirkungen auf Raumfahrzeuge sind bereits ein Problem, und sie werden im Quadrat der Geschwindigkeit schlimmer: Wenn das Raumfahrzeug selbst mit einem erheblichen Bruchteil der Lichtgeschwindigkeit unterwegs ist, bewegt sich fast alles, was es trifft, mit einem erheblichen Bruchteil der Geschwindigkeit von Licht. Das ist bei interstellaren Reisen genauso ein Problem wie bei interplanetaren Reisen: Es gibt vielleicht weniger Zeug, aber man ist länger da draußen.

Warum das alles absurd ist

Obwohl die Person, die die Frage stellt, anscheinend wiederholt geändert hat, woran sie in Kommentaren eigentlich interessiert ist, scheint sie daran interessiert zu sein, Dinge auf der Erde für den Einsatz bei interplanetaren (nicht interstellaren) Reisen zu testen. In den folgenden zwei Abschnitten werde ich zeigen, warum es nicht möglich ist, so etwas auf der Erde zu testen, und warum solch hohe Geschwindigkeiten für interplanetare Reisen unpraktisch sind.

Da die maximalen Geschwindigkeiten hier nur 1 % der Lichtgeschwindigkeit betragen, werde ich alle Berechnungen ohne relativistische Korrekturen durchführen: Es wird einige geben, aber sie werden klein sein. Ich runde im Allgemeinen auch auf 3 signifikante Stellen, obwohl einige der Werte wahrscheinlich weniger genau sind: wenn Sie davon ausgehen $\approx$ wann immer ich habe $=$ es ist wahrscheinlich sicher. Ich habe keine Werte für Konstanten wie angegeben $c$ & $g$ , aber es sind die üblichen.

Tests auf der Erde sind absurd

Um so etwas auf der Erde zu testen, müssten wir ein massives Objekt beschleunigen $v_\text{max} = 0.01c$ . Es gibt zwei Möglichkeiten, dies zu tun: in einer geraden Röhre und in einem Ring.

Aufgrund der Erdkrümmung gibt es eine längste gerade Röhre, die wir herstellen können: Sagen wir, sie hat eine $l = 100\,\text{miles} = 1.61\times 10^5\,\mathrm{m}$ . Wir können jetzt leicht die kleinste Beschleunigung berechnen (dies ist einfach der Fall, wenn die Beschleunigung konstant ist), die benötigt wird, um eine gegebene Größe zu erreichen $v_\text{max}$ entlang einer solchen Röhre, die ist:

A = {\begin{cases} \frac{v_{max}^{2}}{l} & Objekt wird wieder langsamer \\ \frac{v_{max}^{2}}{2 l} & Gegenstand darf Rohrende treffen \end{cases}

$a = \begin{cases} \frac{v^2_\text{max}}{l} &\text{object slows down again}\\ \frac{v^2_\text{max}}{2l} &\text{object allowed to hit end of tube} \end{cases}$

Und gegeben $v_\text{max} = 3\times 10^6\,\mathrm{ms^{-1}}$ , erhalten wir für den ersten Fall $a = 5.59\times 10^7\,\mathrm{ms^{-2}} = 5.71\times 10^6\,g$ , und zum zweiten $a = 2.80\times 10^7\,\mathrm{ms^{-2}} = 2.85\times 10^6\,g$ .

Für beide Fälle würden die Experimente Hundertstelsekunden dauern.

Wenn das zu beschleunigende Objekt eine Masse von $1\,\mathrm{kg}$ , wäre die benötigte Energie $1.5 \times 10^{12}\,\mathrm{J}$ : Das entspricht ungefähr 359 Tonnen TNT: Es ist ein ziemlich kleiner Atomwaffenwert. In dem Fall, wo das Objekt auf das Ende der Röhre trifft, würde dies alles an diesem Punkt freigegeben werden.

Es ist unwahrscheinlich, dass Experimente wie dieses zum Testen von Nutzen sind: Die Bedingungen sind so extrem, dass es zwar möglich wäre, Elektronik so zu konstruieren, dass sie die Version überlebt, in der das Objekt erneut verlangsamt wird, aber eine solche Elektronik wäre völlig anders als alles in einem Raumschiff.

Die zweite Version besteht darin, ein Objekt zu testen, das um einen Ring gefahren wird. Nun, was ist der größte Ring, den wir auf der Erde bauen könnten? Es ist ein Ring, der rund um den Äquator verläuft, mit Radius $R = 3.38\times 10^6\,\mathrm{m}$ . Wir können also jetzt leicht die Beschleunigung berechnen, die ein Objekt spürt, wenn es um einen solchen Ring läuft:

\begin{aligned} A & = \frac{v_{max}^{2}}{R} \\ = \frac{9 \times 10^{12}}{6.38 \times 10^{6}} M S^{- 2} \\ = 1.41 \times 10^{6} M S^{- 2} \\ = 1.44 \times 10^{5} G \end{aligned}

$\begin{align} a &= \frac{v^2_\text{max}}{R}\\ &= \frac{9\times 10^{12}}{6.38\times 10^6}\,\mathrm{ms^{-2}}\\ &= 1.41\times 10^6\,\mathrm{ms^{-2}}\\ &= 1.44\times 10^5\,g \end{align}$

Das ist also besser: Wir müssen jetzt nur noch Elektronik entwerfen, die Hunderttausende von Gravitationskräften überstehen kann. Wir haben auch das kleine Problem, eine evakuierte Röhre um den Äquator zu bauen und irgendwie ein makroskopisches Objekt darum herum zu lenken (wie Sie das machen, habe ich wirklich überhaupt keine Ahnung: Der Ansatz, der für geladene Teilchen in Teilchenbeschleunigern verwendet wird, wird es definitiv nicht arbeiten).

Dies ist die Art von Dingen, die die Ingenieure der Ringwelt in Betracht ziehen könnten: Es ist nicht die Art von Dingen, die Menschen in absehbarer Zeit tun werden.

Und selbst wenn Sie dies tun könnten, ist dies immer noch völlig unabhängig von den Bedingungen in einem Raumfahrzeug: Die Elektronik wird völlig anders sein, und die beteiligten Beschleunigungen sind Hunderttausende bis Millionen Mal größer als das, was ein Mensch überleben kann .

Selbst wenn wir diese Art von Experiment auf der Erde durchführen könnten, wäre es für das Design von Raumfahrzeugen völlig unbrauchbar. Manche Dinge können Sie nur im Weltraum tun, und dies ist eines davon.

So hohe Geschwindigkeiten für interplanetare Reisen sind unpraktisch

Schauen wir uns also an, welche Art von interplanetarer Reise (im Gegensatz zu interstellaren) mit so hohen Geschwindigkeiten verbunden sein könnte. Wir können die gleichen Gleichungen verwenden, die wir zuvor verwendet haben, um die minimale Beschleunigung für eine Fahrt einer bestimmten Länge zu berechnen. Ich gehe hier davon aus, dass Sie am Ende der Reise anhalten möchten, denn wenn Sie nicht anhalten möchten, sprechen Sie definitiv von der Beschleunigungsphase der interstellaren Reise. Und wir können alle langweiligen Orbitalgeschwindigkeiten als Null behandeln, da sie alle sehr klein sind im Vergleich zu den Geschwindigkeiten, an denen wir interessiert sind.

Wir werden nehmen $v_\text{max} = 3\times 10^6\,\mathrm{ms^{-1}}$ wieder, und diesmal $d = 5\,\mathrm{AU} = 7.48\times 10^{11}\,\mathrm{m}$ . Das ist ungefähr so weit wie Jupiter.

\begin{aligned} A & = \frac{v_{max}^{2}}{D} \\ = \frac{9 \times 10^{12}}{7.48 \times 10^{11}} M S^{- 2} \\ = 12.0 M S^{- 2} \\ = 1.23 G \end{aligned}

$\begin{align} a &= \frac{v^2_\text{max}}{d}\\ &= \frac{9\times 10^{12}}{7.48\times 10^{11}}\,\mathrm{ms^{-2}}\\ &= 12.0\,\mathrm{ms^{-2}}\\ &= 1.23\,g \end{align}$

Für eine Reise zum Jupiter, bei der Sie für die Hälfte der Reise beschleunigen und für den Rest abbremsen, ist dies bewohnbar. Für alles, was kürzer ist, wird es schnell unüberwindbar (eine Reise zum Mars wäre so etwas wie $5\,g$ den ganzen Weg, was die Crew mit ziemlicher Sicherheit töten würde, sollte ich denken).

Nun, Jupiter ist ein interessanter Ort, also ist das in Ordnung. Was für ein Raumschiff würden wir brauchen?

Nun, die erste Option ist ein leichtes Segel . Nehmen wir an, das Raumschiff wiegt $1000\,\mathrm{kg}$ und das Segel ist ein perfekter Reflektor und wiegt nichts. Wie groß muss es sein? Der Druck auf das Segel aufgrund von Licht auf dem Umlaufradius der Erde ist $P = 2\times 1360/c\,\mathrm{Pa} = 9.07\times 10^{-6}\,\mathrm{Pa}$ .

Wir fliegen zum Jupiter, also brauchen wir $a = 12.0\,\mathrm{ms^{-2}}$ . $F = ma = PA$ So $A = ma/P$ , Wo $A$ ist Segelgebiet. Setzen Sie die Zahlen ein, die wir erhalten

\begin{aligned} A & = \frac{M A}{P} \\ = \frac{1000 \times 12.0}{9.07 \times 10^{- 6}} M^{2} \\ = 1.32 \times 10^{9} M^{2} \end{aligned}

$\begin{align} A &= \frac{ma}{P}\\ &= \frac{1000\times 12.0}{9.07\times 10^{-6}}\,\mathrm{m^2}\\ &= 1.32 \times 10^9\,\mathrm{m^2} \end{align}$

Wenn das Segel quadratisch ist, ist es ungefähr $36\,\mathrm{km}$ auf einer Seite. Es muss natürlich größer sein, weil Sie die Beschleunigung über die Erdumlaufbahn hinaus aufrechterhalten möchten.

Also, vielleicht ist das machbar: Es ist riesig, aber es ist nicht absurd (stellen Sie besser sicher, dass Sie es nicht verwenden, um das reflektierte Licht auf irgendetwas zu fokussieren: Es geht um einen Trinity-Test, der jede Minute Kraft kostet).

Außer ... du kannst nicht aufhören. Wir haben keine bequeme zweite Sonne, also wenn Sie den halben Weg erreichen und umkehren wollen, können Sie das nicht. Dieses Ding ist das kanonische Beispiel für die Beschleunigungsphase einer interstellaren Reise. Daher nicht nützlich für interplanetare Reisen mit so hohen Geschwindigkeiten (leichte Segel sind potenziell nützlich für viel niedrigere Geschwindigkeiten, bei denen Sie sich leider darauf verlassen können, dass das Zielobjekt Sie einfängt $0.01c$ ist viel höher als die Fluchtgeschwindigkeit eines Planeten).

Also was ist mit Raketen . Nun, jetzt können wir die Raketengleichung verwenden:

Δ v = v_{e} \ln (\frac{M_{0}}{M_{F}})

$\Delta v = v_e \ln\left(\frac{m_0}{m_f}\right)$

oder

M_{0} = M_{F} e^{\frac{Δ v}{v_{e}}}

$m_0 = m_f e^{\frac{\Delta v}{v_e}}$

Wo

$m_0$ ist die Startmasse;
$m_f$ ist die endgültige Masse, die wir annehmen werden $1000\,\mathrm{kg}$
$\Delta v$ ist die Gesamtgeschwindigkeitsänderung, die wir annehmen werden $c/50 = 6\times 10^6\,\mathrm{ms^{-1}}$ , da Sie am Zielort anhalten möchten;
$v_e$ ist die Abgasgeschwindigkeit.

Also gehe ich von einem Super-Duper-Ionen-Laufwerk aus, das:

genug Schub haben (haben sie nicht);
haben $v_e = 5\times 10^5\,\mathrm{ms^{-1}}$ , ungefähr 5 Mal besser als alles, was ich kenne.

Jetzt können wir also diese Zahlen einfügen und wir bekommen

\begin{aligned} M_{0} & = M_{F} e^{\frac{Δ v}{v_{e}}} \\ = 1000 \times e^{\frac{6 \times 10^{6}}{5 \times 10^{5}}} k G \\ = 1000 \times e^{12} k G \\ = 1.63 \times 10^{8} k G \\ = 163 \times 10^{3} Tonnen \end{aligned}

$\begin{align} m_0 &= m_f e^{\frac{\Delta v}{v_e}}\\ &= 1000\times e^\frac{6\times 10^6}{5\times 10^5}\,\mathrm{kg}\\ &= 1000 \times e^{12}\,\mathrm{kg}\\ &= 1.63\times 10^8\,\mathrm{kg}\\ &= 163\times 10^3\,\text{tonnes} \end{align}$

Das ist weniger als die doppelte Masse eines großen Flugzeugträgers.

Und das gilt für eine einfache Fahrt: Wenn Sie zurückkommen wollen, müssen Sie diese Masse ans andere Ende bringen. Und das bedeutet, dass Sie eine Startmasse von benötigen $m_0 = 2.65 \times 10^{13}\,\mathrm{kg}$ . Das ist im Vergleich zum Mond glücklicherweise immer noch hell.

Es gibt Ideen für Laufwerke mit höheren $v_e$ als dies, aber sie sind zunehmend Science-Fiction-Geräte. Sogar ein Ionenantrieb mit hohem Schub ist ziemlich Science-Fiction: Selbst wenn es möglich wäre, würde er mit ziemlicher Sicherheit einen Fusionsreaktor benötigen, um ihn anzutreiben, und die gibt es noch nicht, geschweige denn solche, die wir in Raumfahrzeuge einbauen können. Die Wärmeableitungsprobleme wären ebenfalls gewaltig.

Daher wird kein plausibler Antrieb diese Geschwindigkeiten für interplanetare Reisen erreichen: Sie sind nur für interstellare Reisen interessant, derzeit nur mit irgendeiner Art von Lichtsegeln.

Andere Verwirrungen

Eine Sache, an der die Fragestellerin interessiert war, war Führung: wie man ein Raumschiff steuert, das anfliegt $v\approx 0.01c$ . Dies ist kein Problem: Wenn Sie ein Antriebssystem haben, das Sie auf diese Art von Geschwindigkeit beschleunigt, haben Sie auch eines, das Ihren Kurs ändert, wenn Sie mit dieser Geschwindigkeit fahren. Das Problem ist, ein Antriebssystem zu haben, das Sie dorthin bringt $0.01c$ an erster Stelle.

Abschluss

Reisen Sie an $v\approx 0.01c$ ist für interplanetare Reisen äußerst unpraktisch: Es ist für kurze Reisen nicht überlebensfähig und der Kraftstoffbedarf ist für alle Reisen absurd. Ein solches System auf der Erde zu testen, ist völlig absurd. Dies scheint ein Fall von zu viel Science-Fiction zu sein, kombiniert mit keiner wirklichen Intuition darüber, wie schnell $0.01c$ ist, wie viel Energie erforderlich ist, um diese Art von Geschwindigkeit zu erreichen, und die Implikationen der Raketengleichung.

Hier geht es nicht um die spezielle Relativitätstheorie. Es geht um Kollisionen und andere vielleicht unerwartete Dinge.
@releseabe: dann macht deine Frage keinen Sinn. Sie werden nichts über Kollisionen durch Tests in einem Zyklotron oder überhaupt auf der Erde lernen. Und wenn Sie meine Antwort lesen, werden Sie sehen, dass sich das meiste ... um Kollisionen dreht.
Aber es gibt neben Kollisionen noch Dutzende andere Dinge, die getestet werden müssen, wenn sich ein Fahrzeug so schnell bewegt, dass menschliche Reaktionen nutzlos sind. Wie wird es gelenkt, gebremst? Wie interagiert es vielleicht mit anderen Fahrzeugen? Fazit: Wenn wir wirklich sehr schnelle Schiffe planen, wäre es verrückt, nicht viele erdgebundene Tests durchzuführen, wenn dies möglich ist.
@releseabe: Ich kann nicht herausfinden, worüber du verwirrt bist, aber es ist etwas. Wir wissen, wie man Raumfahrzeuge steuert und verlangsamt: Nichts ändert sich (außer dass man absurde Mengen an Treibstoff braucht, um langsamer zu werden). Astronauten steuern Raumfahrzeuge nicht, indem sie aus den Fenstern schauen und sich darauf verlassen, dass ihre Reaktionszeit gut genug ist, um Hindernissen auszuweichen: Computer steuern sie. Schließlich beinhaltet kein Experiment, das Sie auf der Erde durchführen könnten, Beschleunigungen von weniger als Zehn- oder Hunderttausenden von Gravitationskräften: Dies sind Dinge, die Sie nur im Weltraum testen können.
Wow, wir wissen, wie man 1% c-Raumschiffe steuert? das wusste ich sicher nicht. Tatsächlich ist das mit ziemlicher Sicherheit falsch.
@releseabe: das tun wir, ja. Physik ist so eine wunderbare Sache: Reaktionsmotoren arbeiten mit jeder Geschwindigkeit. Ich werde nicht weiter antworten, da ich nicht glaube, dass ich erklären kann, worüber Sie verwirrt sind.
Dies ist die Antwort, die im Grunde besagt, dass es auf der Erde keine gute Möglichkeit gibt, Tests mit den Geschwindigkeiten durchzuführen, die wir im Weltraum zu erreichen hoffen - die einzigen Tests, die durchgeführt werden können, wären im Weltraum selbst, natürlich näher an der Erde.

äh · Answer 2

NEIN.

Geschwindigkeit

Ich glaube nicht, dass es etwas über die Geschwindigkeit gibt , die getestet werden müsste. Jedes Mal, wenn wir die spezielle oder allgemeine Relativitätstheorie experimentell testen, erhalten wir Ergebnisse, die perfekt übereinstimmen. Als Referenzpunkt beträgt die höchste Geschwindigkeit des Raumfahrzeugs, für die es ausgelegt ist, 0,1 %. $c$ , und das ist die Parker Solar Probe . Weitere Informationen dazu finden Sie unter Parker Solar Probe, die extrem nahe an der Sonne vorbeizieht. Welche relativistischen Effekte wird es erfahren und wie groß werden sie sein?

Was die Kommunikation angeht, kann ich mir nichts vorstellen, was mit so hoher Geschwindigkeit getestet werden müsste. Der reguläre Doppler-Effekt und der relativistische Doppler-Effekt sind gut bekannt, und es sollte keine Herausforderung darstellen, Sender und Empfänger für die erwarteten Rotverschiebungen durch relativistischen Flug zu bauen. Weitere Informationen finden Sie unter Antworten zu relativistischen Effekten in der Kommunikation von Weltraummissionen .

Nur weil es "nicht sein sollte", heißt das nicht, dass niemand einen Fehler machen wird!

Aus dem Artikel von The Space Review:

Die Kombination aus Cassinis enormer Geschwindigkeit und der scharfen Luftwiderstandsverzögerung der Huygens-Sonde erzeugt eine signifikante Doppler-Verschiebung in den Signalen der Sonde, wie sie von Cassini aus gesehen werden (die erwartete Huygens-Cassini-Geschwindigkeitsverschiebung hätte bis zu 5,5 km/s betragen). Die Ingenieure von Alenia Spazio, dem italienischen Unternehmen, das die Funkverbindung gebaut hat, haben die Notwendigkeit einer angemessenen Empfängerbandbreite zur Anpassung an die Frequenzverschiebung richtig vorausgesehen.

[...] Hier lag der entscheidende Fehler. Die Doppler-Verschiebung änderte nicht nur die Frequenz des eingehenden Signals, sondern drückte es auch in eine etwas kürzere Zeitspanne. Infolgedessen wäre Cassinis Empfänger nicht in der Lage gewesen, den Zeitimpuls an seiner erwarteten Position zu erkennen, und somit wäre der eingehende Datenstrom unlesbar geworden.

Beschleunigung

Beschleunigung ist eine ganz andere Sache! Wenn Sie deutlich weniger als 1 g bereitstellen, gibt es gesundheitliche Auswirkungen; Die längste Zeit, in der ein Astronaut in der Mikrogravitation gelebt hat, beträgt etwas mehr als ein Jahr. Sie müssen also etwas davon zur Verfügung stellen, um ihn auf einer langen Reise gesund zu halten, und Ihr Antrieb ist möglicherweise nicht stark genug, um dies zu tun. Wenn dies der Fall ist, erreichen Sie 0,1 $c$ in ungefähr einem Monat, und dann?

Wenn Ihre Beschleunigung noch stärker ist und Sie Ihre Besatzung deutlich mehr als 1 g aussetzen, kann es zu gesundheitlichen Auswirkungen kommen, wenn Sie einer erhöhten Beschleunigung über einen längeren Zeitraum ausgesetzt sind. Aber das könnte man durchaus mit vernünftig gebauten Zentrifugen testen.

ich würde vermuten und habe gelesen, dass bei so schnellen reisen viel zu beachten ist und eine große sorge darin besteht, kleinere felsen im weltraum zu treffen. Daher müsste jedes System zum Umgang mit solchen Gesteinen (Magnetfeld oder Plasmafeld) so realistisch wie möglich getestet werden.
@releseabe, das ist ein ausgezeichneter Punkt! Sicherlich werden Raumfahrzeuge ständig um 0,01 von Meteoriten getroffen $c$ (ungefähr 30 km/s), aber diese Tests können und werden durchgeführt, indem nur die winzigen Partikel auf hohe Geschwindigkeiten beschleunigt werden, und nicht „ein Objekt mit einer Masse von mehreren kg, das sich mit sagen wir 1% von 𝑐 bewegt, insbesondere wenn wir ein Tier hineinsetzen könnten so ein Handwerk?" Andere Leute können hier weiterhin Antworten zum Beschleunigen eines Fahrzeugs posten, aber warum posten Sie nicht eine zweite Frage zum Beschleunigen winziger Staubpartikel auf relativistische Geschwindigkeiten?
@releseabe Das ist viel machbarer, und diese Kollisionen sind fast unmöglich genau zu simulieren und erfordern viel Experimentieren!

Anthony Stevens · Answer 3

Das Erreichen hoher Geschwindigkeiten ist eigentlich sehr einfach. Kein großer Unterschied zwischen den früheren und späteren Phasen, sagen wir, das Erreichen der halben Lichtgeschwindigkeit.

Es ist der Faktor Zeit. Selbst bei hohem Schub kann es sehr lange dauern. Lebenslang mit aktueller Technik.

Ich würde vermuten, dass es ziemlich einfach wäre, die hohen Geschwindigkeiten zu erreichen, wenn man sich nur darum kümmern würde. Aber Lenken, Abbremsen, Überwinden von Hindernissen, besonders bei 0,5 c, hätte fast unvorstellbare Probleme. Ein von Menschenhand geschaffenes Objekt, das tausendmal schneller läuft als das, was wir jetzt haben, einfach umwerfend.
Re Das Erreichen hoher Geschwindigkeiten ist eigentlich sehr einfach. Das ist falsch. Es ist sehr, sehr schwer. Informieren Sie sich über die ideale Raketengleichung.

Müssen einige Dinge auf der Erde getestet werden, bevor ein Raumschiff auf eine Flugbahn gebracht wird, die einen erheblichen Bruchteil der Lichtgeschwindigkeit zurücklegt?

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