Moderne Raketentriebwerke bringen Technologie gut in die Umlaufbahn, sind jedoch für lange Raumfahrten völlig ungeeignet. Daher arbeiten Wissenschaftler seit mehr als einem Dutzend Jahren an der Entwicklung alternativer Raumtriebwerke, mit denen Schiffe auf Rekordgeschwindigkeiten beschleunigt werden können. Werfen wir einen Blick auf sieben Schlüsselideen aus diesem Bereich.
EmDrive
Um sich zu bewegen, muss man sich von etwas abschieben - diese Regel gilt als eine der unerschütterlichen Säulen der Physik und Astronautik. Was genau man anfangen soll - von Erde, Wasser, Luft oder einem Gasstrahl wie bei Raketentriebwerken - ist nicht so wichtig.
Ein bekanntes Gedankenexperiment: Stellen Sie sich vor, ein Astronaut wäre in den Weltraum gegangen, aber das Kabel, das ihn mit dem Raumschiff verbindet, ist plötzlich gerissen und die Person beginnt langsam wegzufliegen. Er hat nur einen Werkzeugkasten. Was sind seine Handlungen? Richtige Antwort: Er muss Werkzeuge vom Schiff wegwerfen. Nach dem Gesetz der Impulserhaltung wird die Person mit genau der gleichen Kraft wie das Instrument von der Person weggeworfen, so dass sie sich allmählich auf das Schiff zubewegt. Dies ist Jet Thrust - der einzig mögliche Weg, sich im leeren Raum zu bewegen. Es stimmt, EmDrive hat, wie Experimente zeigen, einige Chancen, diese unerschütterliche Aussage zu widerlegen.
Der Schöpfer dieses Motors ist der britische Ingenieur Roger Shaer, der 2001 seine eigene Firma Satellite Propulsion Research gründete. Das Design des EmDrive ist ziemlich extravagant und hat die Form eines Metalleimers, der an beiden Enden versiegelt ist. In diesem Eimer befindet sich ein Magnetron, das elektromagnetische Wellen aussendet - genau wie bei einer herkömmlichen Mikrowelle. Und es stellt sich heraus, dass es ausreicht, um einen sehr kleinen, aber durchaus wahrnehmbaren Schub zu erzeugen.
Der Autor selbst erklärt den Betrieb seines Motors durch die Druckdifferenz elektromagnetischer Strahlung an verschiedenen Enden des "Eimers" - am schmalen Ende ist sie geringer als am breiten. Dies erzeugt einen Schub, der auf das schmale Ende gerichtet ist. Die Möglichkeit eines solchen Motorbetriebs wurde mehr als einmal in Frage gestellt, aber in allen Experimenten zeigt die Shaer-Installation das Vorhandensein von Schub in die beabsichtigte Richtung.
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Zu den Experimentatoren, die Shaers Eimer getestet haben, gehören Organisationen wie die NASA, die Technische Universität Dresden und die Chinesische Akademie der Wissenschaften. Die Erfindung wurde unter verschiedenen Bedingungen getestet, einschließlich im Vakuum, wo sie das Vorhandensein eines Schubes von 20 Mikronewton zeigte.
Dies ist im Vergleich zu chemischen Strahltriebwerken sehr wenig. Da der Shaer-Motor jedoch so lange arbeiten kann, wie Sie möchten, da er keinen Kraftstoff benötigt (Solarbatterien können das Magnetron zum Arbeiten bereitstellen), kann er Raumfahrzeuge möglicherweise auf enorme Geschwindigkeiten beschleunigen, gemessen als Prozentsatz der Lichtgeschwindigkeit.
Um die Leistung des Motors vollständig zu beweisen, müssen viel mehr Messungen durchgeführt und Nebenwirkungen beseitigt werden, die beispielsweise durch externe Magnetfelder erzeugt werden können. Es werden jedoch bereits alternative mögliche Erklärungen für den abnormalen Schub des Shaer-Motors vorgebracht, was im Allgemeinen gegen die üblichen Gesetze der Physik verstößt.
Zum Beispiel werden Versionen vorgeschlagen, dass der Motor aufgrund seiner Wechselwirkung mit einem physikalischen Vakuum, das auf Quantenebene eine Energie ungleich Null aufweist und mit ständig austretenden und verschwindenden virtuellen Elementarteilchen gefüllt ist, Schub erzeugen kann. Wer am Ende Recht haben wird - die Autoren dieser Theorie, Shaer selbst oder andere Skeptiker, werden wir in naher Zukunft herausfinden.
Sonnensegel
Wie oben erwähnt, übt elektromagnetische Strahlung Druck aus. Dies bedeutet, dass es theoretisch in Bewegung umgewandelt werden kann - zum Beispiel mit Hilfe eines Segels. So wie die Schiffe der vergangenen Jahrhunderte den Wind in ihren Segeln fingen, würde das Raumschiff der Zukunft die Sonne oder jedes andere Sternenlicht in ihren Segeln fangen.
Das Problem ist jedoch, dass der Lichtdruck extrem klein ist und mit zunehmendem Abstand von der Quelle abnimmt. Um effektiv zu sein, muss ein solches Segel daher sehr leicht und sehr groß sein. Dies erhöht das Risiko der Zerstörung der gesamten Struktur, wenn sie auf einen Asteroiden oder ein anderes Objekt trifft.
Es wurden bereits Versuche unternommen, Sonnensegelschiffe in den Weltraum zu bauen und zu starten. 1993 testete Russland das Sonnensegel auf dem Progress-Raumschiff und 2010 führte Japan erfolgreiche Tests auf dem Weg zur Venus durch. Aber kein einziges Schiff hat jemals das Segel als Hauptbeschleunigungsquelle verwendet. Ein anderes Projekt, ein elektrisches Segel, sieht in dieser Hinsicht etwas vielversprechender aus.
Elektrisches Segel
Die Sonne emittiert nicht nur Photonen, sondern auch elektrisch geladene Materieteilchen: Elektronen, Protonen und Ionen. Sie alle bilden den sogenannten Sonnenwind, der jede Sekunde etwa eine Million Tonnen Materie von der Sonnenoberfläche wegträgt.
Der Sonnenwind breitet sich über Milliarden Kilometer aus und ist für einige Naturphänomene auf unserem Planeten verantwortlich: geomagnetische Stürme und das Nordlicht. Die Erde ist durch ihr eigenes Magnetfeld vor dem Sonnenwind geschützt.
Der Sonnenwind ist wie der Luftwind gut für Reisen geeignet. Sie müssen ihn nur in die Segel blasen lassen. Das 2006 vom finnischen Wissenschaftler Pekka Janhunen ins Leben gerufene Projekt des elektrischen Segels hat äußerlich wenig mit dem solaren zu tun. Dieser Motor besteht aus mehreren langen, dünnen Kabeln, ähnlich den Speichen eines Rades ohne Felge.
Dank der gegen die Fahrtrichtung emittierenden Elektronenkanone erhalten diese Kabel ein positiv geladenes Potential. Da die Masse eines Elektrons etwa 1800-mal geringer ist als die Masse eines Protons, spielt der von Elektronen erzeugte Schub keine grundlegende Rolle. Die Elektronen des Sonnenwinds sind für ein solches Segel nicht wichtig. Positiv geladene Teilchen - Protonen und Alphastrahlung - werden jedoch von den Seilen abgestoßen, wodurch ein Strahlschub erzeugt wird.
Obwohl dieser Schub etwa 200-mal geringer sein wird als der eines Sonnensegels, ist die Europäische Weltraumorganisation an dem Projekt interessiert. Tatsache ist, dass ein elektrisches Segel im Weltraum viel einfacher zu konstruieren, herzustellen, einzusetzen und zu betreiben ist. Mit der Schwerkraft können Sie mit dem Segel auch zur Quelle des Sternwinds reisen und nicht nur von dieser weg. Und da die Oberfläche eines solchen Segels viel geringer ist als die eines Sonnensegels, ist es viel weniger anfällig für Asteroiden und Weltraummüll. Vielleicht sehen wir in den nächsten Jahren die ersten Versuchsschiffe auf einem elektrischen Segel.
Ionenmotor
Der Fluss geladener Materieteilchen, dh Ionen, wird nicht nur von Sternen emittiert. Ionisiertes Gas kann auch künstlich erzeugt werden. Normalerweise sind Gaspartikel elektrisch neutral, aber wenn ihre Atome oder Moleküle Elektronen verlieren, verwandeln sie sich in Ionen. Ein solches Gas hat in seiner Gesamtmasse noch keine elektrische Ladung, aber seine einzelnen Teilchen werden geladen, was bedeutet, dass sie sich in einem Magnetfeld bewegen können.
In einem Ionenmotor wird ein Inertgas (normalerweise Xenon) durch einen Strom energiereicher Elektronen ionisiert. Sie schlagen Elektronen aus Atomen und erhalten eine positive Ladung. Ferner werden die resultierenden Ionen in einem elektrostatischen Feld auf Geschwindigkeiten in der Größenordnung von 200 km / s beschleunigt, was 50-mal höher ist als die Geschwindigkeit des Gasabflusses aus chemischen Strahltriebwerken. Trotzdem haben moderne Ionentriebwerke einen sehr kleinen Schub - etwa 50-100 Millinewton. Ein solcher Motor könnte sich nicht einmal vom Tisch bewegen. Aber er hat ein ernstes Plus.
Ein großer spezifischer Impuls kann den Kraftstoffverbrauch im Motor erheblich senken. Die aus Solarbatterien gewonnene Energie wird zur Ionisierung von Gas verwendet, sodass der Ionenmotor sehr lange arbeiten kann - bis zu drei Jahre ohne Unterbrechung. Für einen solchen Zeitraum wird er Zeit haben, das Raumschiff auf Geschwindigkeiten zu beschleunigen, von denen chemische Motoren nie geträumt haben.
Ionenmotoren haben im Rahmen verschiedener Missionen wiederholt die Weite des Sonnensystems gepflügt, normalerweise jedoch als Hilfs- und nicht als Hauptmission. Als mögliche Alternative zu Ionentriebwerken sprechen sie heute zunehmend von Plasma-Triebwerken.
Plasmamotor
Wenn der Ionisationsgrad der Atome hoch wird (etwa 99%), wird ein solcher aggregierter Materiezustand Plasma genannt. Der Plasmazustand kann nur bei hohen Temperaturen erreicht werden, daher wird ionisiertes Gas in Plasmamotoren auf mehrere Millionen Grad erhitzt. Die Heizung erfolgt mit einer externen Energiequelle - Sonnenkollektoren oder realistischer mit einem kleinen Kernreaktor.
Das heiße Plasma wird dann durch die Raketendüse ausgestoßen, wodurch ein Schub erzeugt wird, der zehnmal größer ist als der eines Ionenstrahlruders. Ein Beispiel für einen Plasmamotor ist das VASIMR-Projekt, das seit den 70er Jahren des letzten Jahrhunderts entwickelt wurde. Im Gegensatz zu Ionentriebwerken wurden Plasma-Triebwerke noch nicht im Weltraum getestet, aber es bestehen große Hoffnungen auf sie. Es ist das VASIMR-Plasmamotor, das einer der Hauptkandidaten für bemannte Flüge zum Mars ist.
Fusionsmotor
Die Menschen haben seit Mitte des 20. Jahrhunderts versucht, die Energie der Kernfusion zu zähmen, aber bisher konnten sie dies nicht. Trotzdem ist die kontrollierte thermonukleare Fusion immer noch sehr attraktiv, da sie eine enorme Energiequelle darstellt, die aus sehr billigen Brennstoffen gewonnen wird - Isotope von Helium und Wasserstoff.
Derzeit gibt es mehrere Projekte zur Entwicklung eines Strahltriebwerks zur Energie der Kernfusion. Das vielversprechendste davon wird als Modell angesehen, das auf einem Reaktor mit magnetischem Plasmaeinschluss basiert. Ein Kernkernreaktor in einem solchen Motor ist eine drucklose zylindrische Kammer mit einer Länge von 100 bis 300 Metern und einem Durchmesser von 1 bis 3 Metern. Die Kammer sollte mit Brennstoff in Form von Hochtemperaturplasma versorgt werden, das bei ausreichendem Druck in eine Kernfusionsreaktion eintritt. Die Spulen des Magnetsystems, die sich um die Kammer befinden, sollten verhindern, dass dieses Plasma das Gerät berührt.
Die thermonukleare Reaktionszone befindet sich entlang der Achse eines solchen Zylinders. Mit Hilfe von Magnetfeldern fließt extrem heißes Plasma durch die Reaktordüse und erzeugt einen enormen Schub, der um ein Vielfaches größer ist als der von Chemiemotoren.
Antimaterie-Motor
Die gesamte Materie um uns herum besteht aus Fermionen - Elementarteilchen mit halbzahligem Spin. Dies sind beispielsweise Quarks, aus denen Protonen und Neutronen in Atomkernen sowie Elektronen bestehen. Darüber hinaus hat jede Fermion ihr eigenes Antiteilchen. Für ein Elektron ist dies ein Positron, für einen Quark - ein Antiquark.
Antiteilchen haben die gleiche Masse und den gleichen Spin wie ihre üblichen "Kameraden" und unterscheiden sich im Vorzeichen aller anderen Quantenparameter. Theoretisch können Antiteilchen Antimaterie bilden, aber bisher wurde nirgends im Universum Antimaterie registriert. Für die Grundlagenforschung ist die große Frage, warum es sie nicht gibt.
Aber unter Laborbedingungen können Sie etwas Antimaterie bekommen. Beispielsweise wurde kürzlich ein Experiment durchgeführt, bei dem die Eigenschaften von Protonen und Antiprotonen verglichen wurden, die in einer Magnetfalle gespeichert waren.
Wenn sich Antimaterie und gewöhnliche Materie treffen, findet ein Prozess der gegenseitigen Vernichtung statt, begleitet von einem Ausbruch kolossaler Energie. Wenn Sie also ein Kilogramm Materie und Antimaterie nehmen, ist die Menge an Energie, die freigesetzt wird, wenn sie sich treffen, vergleichbar mit der Explosion der "Zarenbombe" - der mächtigsten Wasserstoffbombe in der Geschichte der Menschheit.
Darüber hinaus wird ein erheblicher Teil der Energie in Form von Photonen elektromagnetischer Strahlung freigesetzt. Dementsprechend besteht der Wunsch, diese Energie für die Raumfahrt zu nutzen, indem ein Photonentriebwerk ähnlich einem Sonnensegel erzeugt wird. Nur in diesem Fall wird das Licht von einer internen Quelle erzeugt.
Um die Strahlung in einem Strahltriebwerk effektiv nutzen zu können, muss das Problem der Erzeugung eines "Spiegels" gelöst werden, der diese Photonen reflektieren kann. Immerhin muss das Schiff irgendwie abstoßen, um Schub zu erzeugen.
Kein modernes Material kann der bei einer solchen Explosion entstehenden Strahlung einfach nicht standhalten und verdunstet sofort. In ihren Science-Fiction-Romanen lösten die Brüder Strugatsky dieses Problem, indem sie einen "absoluten Reflektor" schufen. Im wirklichen Leben wurde noch nichts dergleichen getan. Diese Aufgabe ist ebenso wie die Frage der Erzeugung einer großen Menge Antimaterie und ihrer Langzeitspeicherung Sache der Physik der Zukunft.
