NEIN.

10% der Lichtgeschwindigkeit sind etwa 30.000.000 m/s. Unsere bisher schnellste Raumsonde, New Horizons, verließ die Erde mit weniger als 1/1000 dieser Geschwindigkeit. Mit einem großen Treibstofftank und einem hocheffizienten Ionentriebwerk könnten wir etwa 300.000 m/s erreichen, etwa ein Zehntel von 1 % der Lichtgeschwindigkeit. Aufgrund der exponentiellen Natur der Raketengleichung erfordert das Erreichen höherer Geschwindigkeiten exponentiell größere Mengen an Treibmittel.

Ich zeige die Berechnungen für die ausgezeichnete Antwort von Russell Borogove .

Sie haben darum gebeten, ein Objekt auf 0,1-fache Lichtgeschwindigkeit zu beschleunigen. Mathematisch,

Die Abgasgeschwindigkeit$v_e$eines Ionentriebwerks beträgt 20-50 km/s. Wählen wir aus$v_e=30,000 \text{ m/s}$, daher

Und nehmen wir an, die Masse unserer Nutzlast beträgt 1 Kilogramm:

Die spezielle Relativitätsform der Raketengleichung ist

Lösung für die anfängliche (befeuerte) Raketenmasse$m_0$,

Die Masse des beobachtbaren Universums wird auf nur 1,5x10 geschätzt$^{53}$kg.

Ich würde NEIN sagen.

Breakthrough Starshot behauptet, in der Lage zu sein, 0,15c bis 0,2c zu erreichen. Aber das Konzept basiert auf einem Schwarm winziger Sonden (Zentimeter-Maßstab). Sie würden von einem "bodengestützten" Laser angetrieben; keine an Bord befindlichen Treibmittel umgeht die Tyrannei der Raketengleichung. Breakthrough Starshot hängt von einer Reihe von Technologien ab, die noch nicht verfügbar oder weit genug fortgeschritten sind, um die erforderlichen Parameter zu erfüllen. Für die relativistische Raumfahrt scheint dies heute das Naheliegendste zu sein, wenn man "nahe" in Jahrzehnten misst.

Ja, mit nuklearem Impulsantrieb.

Das schnellste von Menschenhand geschaffene Objekt ist eine „Radkappe“, die verwendet wurde, um ein Atomexplosionstestgelände abzudecken, das mit 125.000 Meilen pro Stunde getaktet wurde . Bei einem Raumschiff, das für den Antrieb mit Atombomben ausgelegt ist, wurde vorgeschlagen, dass es möglich sein könnte, ein Raumschiff zu bauen, das mit modernen Technologien .1c erreichen kann, obwohl dies zunächst die Lösung einiger technischer Herausforderungen erfordern würde. Das Projekt Longshot der NASA zum Beispiel wurde auf einer Reise nach Alpha Centauri mit einer Höchstgeschwindigkeit von 0,045 ° C berechnet und könnte vermutlich eine Geschwindigkeit erreichen, die ungefähr doppelt so hoch ist wie die, wenn sie ihren gesamten Treibstoff verbraucht, ohne etwas zum Abbremsen übrig zu lassen.

Angesichts der Tatsache, dass Raketen dafür eindeutig nicht geeignet sind, finde ich es ziemlich seltsam, dass Breakthrough Starshot trotz einiger Erwähnungen in den Kommentaren hier nicht mehr diskutiert wird, obwohl es buchstäblich das erste war, was mir in den Sinn kam, als ich es sah diese Frage auf. Und das führt natürlich dazu, den Stand der Technik des Balkenantriebs zu betrachten , denn darauf kommt es hier an.

Der Strahlantrieb umgeht natürlich die Raketengleichung, indem er den Treibstoff am Boden lässt, so dass das Geschäft "Treibstoff heben müssen, um Treibstoff zu heben, um Treibstoff zu heben ...", das das exponentielle Problem mit Raketen verursacht, nicht mehr gilt.

Nun, die einfachste Methode, um einen Strahlantrieb durchzuführen, ist vielleicht ein Laser , und tatsächlich zielte BTSS darauf ab, genau einen solchen zu verwenden. Angesichts der Tatsache, dass BTSS voraussichtlich für etwa 50 Jahre oder länger keine Ergebnisse liefern wird (iirc), würde ich sagen, dass dies nach Ihrer Definition nicht "heute" ist, aber angesichts der Tatsache, dass Posts zumindest die Machbarkeit der Verwendung vorhandener Raketen untersucht haben , halte ich es für nur fair, eine ähnliche, zumindest oberflächliche Analyse der bestehenden Möglichkeiten für den Laserstrahlantrieb zu versuchen.

Der Strahlantrieb funktioniert natürlich nach dem Prinzip, dass Licht sowohl Impuls als auch Energie trägt und daher, wenn es in geeigneter Weise auf ein Fahrzeug gerichtet ist, eine Kraft (Impulsübertragung) darauf erzeugen kann. Die relevante Gleichung ist die von Einstein

Wo$E$ist die Energie im Lichtstrahl. Wenn das Raumfahrzeug ein idealer Reflektor ist, kann es doppelt so viel aufnehmen, da der Strahl zurückreflektiert wird und diese Rückreflexion dank der Impulserhaltung durch einen zusätzlichen Vorwärtsimpuls ausgeglichen werden muss, der dem gesamten ursprünglichen Strahl entspricht.

Beachten Sie natürlich, dass es den Faktor gibt$c$im Nenner, der in menschlichen Einheiten wahnsinnig groß ist: Folglich erzeugt selbst eine bescheidene Energie nur einen kleinen zusätzlichen Impuls und damit nur eine minimale Beschleunigung eines Raumfahrzeugs. Insbesondere die Verwendung$p = \gamma mv$für ein allgemeines relativistisches Raumschiff sehen wir die Energie, die erforderlich ist, um auf Geschwindigkeit zu beschleunigen$v$Ist

für den Idealreflexionsfall. Wenn uns eine bestimmte Energiemenge zugeteilt wird und wir eine bestimmte Zielgeschwindigkeit wollen, können wir die maximale Masse berechnen:

Wie viel Laserenergie können wir also vernünftigerweise aufbringen? Nun, es gab anscheinend schon in den 1980er Jahren einen Laser namens „ MIRACL “, der ein chemisch-gasdynamischer Laser war, was bedeutet, dass er anstelle von elektrischer Energie direkt mit einem speziellen chemischen Brennstoff betrieben wurde und eine Spitzenleistung von mehr als 1 MW und 70 erreichte s Brennzeit, was bedeutet, dass Sie mit 70 MJ spielen können.

Da es gebaut wurde, könnte es wieder und jetzt vielleicht besser werden. Daher würde ich sagen - obwohl ich nicht weiß, ob das jetzt der Stand der Technik ist - es könnte durchaus ein vernünftiger Wert für "heute" sein. Angenommen, wir bauen 100 dieser Laser – das wären 7000 MJ, und wir wollen die größte Masse ermitteln. Geschwindigkeit nutzen$0.1\ \mathrm{c}$, so dass$\gamma \approx 1.005$Und

oder$1.54 \times 10^{-12}\ \mathrm{Gg}$(Gigagramm). Wenn wir diese Einheiten herunternehmen, sehen wir, dass dies ungefähr 1,5 Milligramm sind.

Da stellt sich die Frage, ob man mit 1,5 mg Gesamtnutzlast, die zum größten Teil vom Lichtsegel aufgenommen werden müssen, überhaupt etwas Sinnvolles anfangen kann - ja, wenn ein solches Lichtsegel überhaupt möglich ist. Ob dies als "Sonde" qualifiziert ist, ist etwas, bei dem ich erhebliche Vorsicht walten lassen würde, und beachten Sie, dass ich viel mehr Theoretiker als Ingenieur bin, sodass diejenigen, die sich mit letzterem auskennen, vielleicht eingreifen und dies vervollständigen möchten antworten. Beachten Sie außerdem, dass dies einige sehr optimistische versteckte Annahmen enthält, z. B. dass wir 100 % des Laserlichts reflektieren können (unmöglich) unddass wir 100 % des Strahls auf das Schiff fokussieren können (dies ist ein großes Problem mit dem echten BTSS-Projekt). Daher könnte man vielleicht sagen, dass 0,15 mg ein besseres Ziel sein könnten, und es fängt dann nicht an, zu gut für das Segel zu klingen.

Man kann natürlich auch anders arbeiten: Wie schnell können wir es angesichts der Energie und der Masse des Handwerks schaffen?$0.1\ \mathrm{c}$vielleicht aus, aber was wäre, wenn wir bereit wären, zumindest einen interstellaren Vorläufer zu schicken , zB so etwas wie die "Tausend astronomischen Einheiten" (TAU), die einmal vor sehr langer Zeit vorgeschlagen wurden. Angenommen, wir würden eine Handwerksmasse von beispielsweise 1 Gramm oder 1000 mg nehmen. Unter Verwendung der gleichen Gleichungen können wir lösen für$\gamma v$von

damit jetzt$E = 7000\ \mathrm{MJ}$Und$m = 10^{-9}\ \mathrm{Gg}$, bekommen wir ein$\gamma v$von etwa$46\ \mathrm{km/s}$, es geht also um die tatsächliche Geschwindigkeit. Nicht viel besser als chemische Raketen, aber könnte Sie auf 1000 AU bringen – 150 000 Gm – in (wobei zu beachten ist, dass km/s dasselbe ist wie Gm/Ms) ~3200 Ms, was zwar länger ist als eine typische menschliche Lebenszeit von 2200 Ms ( ~70 Jahre) oder sogar ein langer von 3000, ist immer noch in Reichweite einiger weniger, die Glück haben. Immer noch ziemlich miserabel, aber esp. wenn man bedenkt, was ich darüber gesagt habe, wie im vorigen Fall sehr idealisiert.

Also würde ich sagen, ja, es ist wahrscheinlich auch nicht machbar, eine Raumsonde mit dieser Route zum Laufen zu bringen. Trotzdem bin ich zumindest ein wenig überrascht, wie und das ist tatsächlich etwas, das Sie vielleicht zumindest mit Ihren Augen sehen könnten, wenn wir es für würdig erachten, das Geld auszugeben, loft, wenn nicht jetzt , dann ganz weniger als 50 Jahre (1577 Ms). Denken Sie daran, dass "cool" nicht zuletzt eine Inspiration für Besseres sein kann.

Ein weiterer Aspekt, auf den ich hinweisen möchte, ist, dass Sie die Laser wegen der Atmosphäre idealerweise nicht von der Erde, sondern vom Mond aus starten möchten, damit sie wirklich nützlich sind. Glücklicherweise ist ein chemisch-gasdynamischer Laser dafür nahezu ideal, da er über ein eigenes Kraftwerk verfügt. Der Nachteil ist, dass MIRACL eine ziemlich große Sache war und eine Menge Startkapazität erfordern würde, um 100 von ihnen zum Mond zu bringen. Trotzdem könnte es möglich sein, insb. mit Elon Musks BFRs - obwohl das immer noch "nicht heute " ist.

New Horizons war das schnellste von Menschenhand geschaffene Objekt im Weltraum und erreichte nach dem Start 16,26 km/s. Nach Schwerkraftunterstützung wurden später 23,3 km/s erreicht.

Die Lichtgeschwindigkeit beträgt etwa 300.000 km/s. 0,001 c sind 300 km/s, ungefähr die 20-fache Geschwindigkeit von New Horizons und die 400-fache kinetische Energie. Aufgrund der Raketengleichung sind 300 km/s mit heutiger Technik nicht möglich.

Die schwersten Dinge, die wir heute auf 0,1 c beschleunigen können, sind schwere Atome oder kleine Moleküle.

Sie können die Definition von "Sonde" natürlich immer erweitern.

Ist es möglich, mit der heutigen Technologie eine relativistische Raumsonde zu bauen, die mindestens 0,1c erreicht?

Natürlich! Ein Kind könnte das! Ein Kind könnte das!

Lassen Sie uns zuerst die Logarithmen aus dem Weg räumen. Mit$m_f/m_i = 20$und wenn wir die spezielle Relativitätstheorie ignorieren, brauchen wir eine Abgasgeschwindigkeit$v_E$von$0.1 \ c \ / \ \ln(20) = 0.033 \ c$.

Welche Energie benötigen Protonen von einem Ionenmotor für ihre Geschwindigkeit?$0.033 \ c$?

Die Masse eines Protons$m_P c^2$beträgt etwa 938 MeV, also müsste die Energie sein

Wenn Sie also ein Raumschiff gebaut haben, das zu 95 % aus flüssigem Wasserstoff bestand und die anderen 5 % ein elektrisch betriebener Niederspannungs-Protonen-RFQ-Linac oder auch nur ein Gitterbeschleuniger bei 540 keV waren, sind Sie startklar! Sie haben Platz, um Ihre Vakuumpumpe zu sein, und wenn Sie schlau sind, können die Beschichtungen Ihrer Resonatoren supraleitend sein, um den Ohmschen Widerstand zu minimieren$I^2 R$Verluste, die Kupfer erzeugen würde, sodass Sie Ihre Leistung möglicherweise ziemlich niedrig halten können. Sie benötigen immer noch eine Ionenquelle, die Protonen erzeugt, und Sie müssen den gesamten gewerkschaftlich organisierten Wasserstoff und die Protonen recyceln, die nicht in die Akzeptanz Ihres Linacs gebündelt werden können, wenn Sie einen verwenden, aber das sind die Pausen.

Wenn Ihr System Probleme mit der Masseneffizienz hat (Wasserstoffverlust), erhöhen Sie einfach Ihre Anfrage auf einige MeV.

Siehe diese Antwort auf Wenn ein spezifischer Impuls direkt mit der Abgasgeschwindigkeit zusammenhängt, würde ein Ionen-Nachbeschleuniger den Isp eines Antriebssystems verbessern? zum Weiterlesen.

Hier ist ein 5-MeV-RFQ (das winzige Ding links), gefolgt von einem weiteren Booster: LIGHT: A Linear Accelerator for Proton Therapy

(Klicken für volle Größe) links: Lawrence Berkeley Laboratory Radio Frequency Quadrupol (RFQ) rechts: Techniker, der einen Radio Frequency Quadrupole (RFQ) einstellt