- Teil 2 -
Irgendwann in unserem Leben stellte jeder von uns die Frage: Wie lange muss man zu den Sternen fliegen? Ist es möglich, einen solchen Flug in einem menschlichen Leben durchzuführen, können solche Flüge zur Norm des Alltags werden? Es gibt viele Antworten auf diese schwierige Frage, je nachdem, wer sie stellt. Einige sind einfach, andere schwieriger. Um eine endgültige Antwort zu finden, müssen zu viele Dinge berücksichtigt werden.
Leider gibt es keine wirklichen Schätzungen, die helfen würden, eine solche Antwort zu finden, und dies frustriert Futuristen und interstellare Reiseliebhaber. Ob es uns gefällt oder nicht, der Platz ist sehr groß (und komplex) und unsere Technologie ist immer noch begrenzt. Wenn wir uns jedoch jemals dazu entschließen, unser "Heimatnest" zu verlassen, haben wir verschiedene Möglichkeiten, um zum nächsten Sternensystem in unserer Galaxie zu gelangen.
Der unserer Erde am nächsten gelegene Stern ist die Sonne, ein ziemlich "durchschnittlicher" Stern nach dem Hertzsprung-Russell-Schema "Hauptsequenz". Dies bedeutet, dass der Stern sehr stabil ist und genügend Sonnenlicht liefert, damit sich das Leben auf unserem Planeten entwickeln kann. Wir wissen, dass sich andere Planeten um die Sterne in der Nähe unseres Sonnensystems drehen, und viele dieser Sterne ähneln unseren eigenen.
Mögliche bewohnbare Welten im Universum
Wenn die Menschheit in Zukunft das Sonnensystem verlassen will, werden wir eine riesige Auswahl an Sternen haben, zu denen wir gehen könnten, und viele von ihnen haben möglicherweise günstige Lebensbedingungen. Aber wohin gehen wir und wie lange werden wir brauchen, um dorthin zu gelangen? Denken Sie daran, dass dies alles Spekulationen sind und es derzeit keine Orientierungspunkte für interstellare Reisen gibt. Nun, wie Gagarin sagte, lass uns gehen! Werbevideo:
Greifen Sie nach dem Stern
Wie bereits erwähnt, ist Proxima Centauri der nächstgelegene Stern zu unserem Sonnensystem. Daher ist es sehr sinnvoll, damit eine interstellare Mission zu planen. Proxima ist Teil des Alpha Centauri-Dreifachsternsystems und 4,24 Lichtjahre (1,3 Parsec) von der Erde entfernt. Alpha Centauri ist in der Tat der hellste der drei Sterne im System, Teil eines engen binären Systems, 4,37 Lichtjahre von der Erde entfernt - während Proxima Centauri (der schwächste der drei) ein isolierter roter Zwerg ist, der 0,13 Lichtjahre entfernt ist. von einem dualen System.
Und während Gespräche über interstellare Reisen Gedanken über alle Arten von Reisen mit schneller als Licht (FSS) anregen, von Warp-Geschwindigkeiten und Wurmlöchern bis hin zu Subraum-Engines, sind solche Theorien entweder sehr fiktiv (wie die Alcubierre-Engine) oder existieren nur in Science-Fiction … Jede Mission in den Weltraum wird sich über Generationen von Menschen erstrecken.
Wie lange dauert es also, beginnend mit einer der langsamsten Formen der Raumfahrt, um nach Proxima Centauri zu gelangen?
Moderne Methoden
Die Frage der Schätzung der Dauer der Reise im Weltraum ist viel einfacher, wenn vorhandene Technologien und Körper in unserem Sonnensystem daran beteiligt sind. Mit der Technologie der New Horizons-Mission, 16 Hydrazin-Monokraftstoffmotoren, können Sie beispielsweise den Mond in nur 8 Stunden und 35 Minuten erreichen.
Es gibt auch die SMART-1-Mission der Europäischen Weltraumorganisation, die mit Ionenschub zum Mond geschleudert wurde. Mit dieser revolutionären Technologie, mit der die Raumsonde Dawn auch Vesta erreichte, brauchte die SMART-1-Mission ein Jahr, einen Monat und zwei Wochen, um den Mond zu erreichen.
Von einem schnellen Raketenraumschiff bis hin zu einem wirtschaftlichen Ionenantrieb haben wir verschiedene Möglichkeiten, um den lokalen Raum zu erkunden. Außerdem können Sie Jupiter oder Saturn als riesige Schwerkraftschleuder verwenden. Wenn wir jedoch etwas weiter gehen wollen, müssen wir die Kraft der Technologie aufbauen und neue Möglichkeiten ausloten.
Wenn wir über mögliche Methoden sprechen, sprechen wir über solche, die vorhandene Technologien beinhalten oder solche, die noch nicht existieren, aber technisch machbar sind. Einige von ihnen sind, wie Sie sehen werden, erprobt und bestätigt, während andere noch in Frage stehen. Kurz gesagt, sie stellen ein mögliches, aber sehr zeitaufwändiges und kostspieliges Szenario dar, selbst zum nächsten Stern zu reisen.
Ionenbewegung
Derzeit ist der Ionenmotor die langsamste und wirtschaftlichste Motorform. Vor einigen Jahrzehnten galt der Ionenantrieb als Thema der Science-Fiction. In den letzten Jahren haben sich die Technologien zur Unterstützung von Ionenantrieben von der Theorie in die Praxis verlagert, und das mit großem Erfolg. Die SMART-1-Mission der Europäischen Weltraumorganisation ist ein Beispiel für eine erfolgreiche Mission zum Mond in 13 Monaten Spiralbewegung von der Erde.
SMART-1 verwendete Solarionen-Triebwerke, bei denen Strom von Sonnenkollektoren gesammelt und zur Stromversorgung von Hall-Effekt-Triebwerken verwendet wurde. Es dauerte nur 82 Kilogramm Xenon-Kraftstoff, um den SMART-1 zum Mond zu bringen. 1 Kilogramm Xenon-Kraftstoff ergibt ein Delta-V von 45 m / s. Dies ist eine äußerst effektive Form der Bewegung, aber bei weitem nicht die schnellste.
Eine der ersten Missionen, bei denen Ionenantriebstechnologie zum Einsatz kam, war die Deep Space 1-Mission zum Kometen Borrelli im Jahr 1998. Der DS1 verwendete auch einen Xenon-Ionen-Motor und verbrauchte 81,5 kg Kraftstoff. Für 20 Monate Schub entwickelte DS1 zum Zeitpunkt des Durchgangs des Kometen Geschwindigkeiten von 56.000 km / h.
Ionenmotoren sind wirtschaftlicher als Raketentechnologien, da ihr Schub pro Masseneinheit Raketentreibstoff (spezifischer Impuls) viel höher ist. Es dauert jedoch lange, bis Ionentriebwerke ein Raumschiff auf signifikante Geschwindigkeiten beschleunigen, und die Höchstgeschwindigkeit hängt von der Kraftstoffunterstützung und der Stromerzeugung ab.
Wenn Ionenantriebe in einer Mission nach Proxima Centauri eingesetzt werden, müssen die Motoren daher über eine leistungsstarke Energiequelle (Kernkraft) und große Treibstoffreserven (obwohl weniger als herkömmliche Raketen) verfügen. Wenn Sie jedoch davon ausgehen, dass 81,5 kg Xenon-Kraftstoff 56.000 km / h bedeuten (und es keine anderen Bewegungsformen gibt), können Sie Berechnungen durchführen.
Bei einer Höchstgeschwindigkeit von 56.000 km / h würde Deep Space 1 81.000 Jahre brauchen, um 4,24 Lichtjahre zwischen der Erde und Proxima Centauri zu reisen. Mit der Zeit sind dies etwa 2700 Generationen von Menschen. Man kann mit Sicherheit sagen, dass der interplanetare Ionenantrieb für eine bemannte interstellare Mission zu langsam ist.
Wenn die Ionentriebwerke jedoch größer und leistungsstärker sind (dh die Austrittsrate der Ionen ist erheblich höher), wird die Reisezeit erheblich verkürzt, wenn genügend Raketentreibstoff vorhanden ist, der für die gesamten 4,24 Lichtjahre ausreicht. Trotzdem wird es viel länger dauern als die Zeit des menschlichen Lebens.
Schwerkraftmanöver
Der schnellste Weg, um im Weltraum zu reisen, ist die Verwendung der Schwerkraftunterstützung. Bei diesem Verfahren nutzt das Raumfahrzeug die Relativbewegung (d. H. Die Umlaufbahn) und die Schwerkraft des Planeten, um seinen Weg und seine Geschwindigkeit zu ändern. Gravitationsmanöver sind eine äußerst nützliche Technik für die Raumfahrt, insbesondere wenn die Erde oder ein anderer massereicher Planet (wie ein Gasriese) zur Beschleunigung verwendet wird.
Das Raumschiff Mariner 10 war das erste, das diese Methode einsetzte und im Februar 1974 die Anziehungskraft der Venus nutzte, um in Richtung Merkur zu beschleunigen. In den 1980er Jahren verwendete die Sonde Voyager 1 Saturn und Jupiter für Gravitationsmanöver und Beschleunigungen auf 60.000 km / h, gefolgt von einem Austritt in den interstellaren Raum.
Die Helios 2-Mission, die 1976 begann und die interplanetare Umgebung zwischen 0,3 AU erforschen sollte. und 1 a. Das heißt, von der Sonne aus gilt der Rekord für die höchste Geschwindigkeit, die mit einem Gravitationsmanöver entwickelt wurde. Zu dieser Zeit hielten Helios 1 (1974 gestartet) und Helios 2 den Rekord für die nächste Annäherung an die Sonne. Helios 2 wurde von einer konventionellen Rakete abgefeuert und in eine stark verlängerte Umlaufbahn gebracht.
Aufgrund der großen Exzentrizität (0,54) der 190-Tage-Sonnenbahn gelang es Helios 2 im Perihel, eine Höchstgeschwindigkeit von über 240.000 km / h zu erreichen. Diese Umlaufgeschwindigkeit wurde nur durch die Anziehungskraft der Sonne entwickelt. Technisch gesehen war die Perihelgeschwindigkeit von Helios 2 nicht das Ergebnis eines Gravitationsmanövers, sondern die maximale Umlaufgeschwindigkeit, aber das Gerät hält immer noch den Rekord für das schnellste künstliche Objekt.
Wenn sich die Voyager 1 mit einer konstanten Geschwindigkeit von 60.000 km / h auf den Roten Zwerg Proxima Centauri zubewegen würde, würde es 76.000 Jahre (oder mehr als 2.500 Generationen) dauern, um diese Strecke zurückzulegen. Wenn die Sonde jedoch die Rekordgeschwindigkeit von Helios 2 erreichen würde - eine konstante Geschwindigkeit von 240.000 km / h - würde es 19.000 Jahre (oder mehr als 600 Generationen) dauern, um 4.243 Lichtjahre zurückzulegen. Viel besser, wenn auch bei weitem nicht praktisch.
Elektromagnetischer Motor EM Drive
Ein weiteres vorgeschlagenes Verfahren für die interstellare Bewegung ist ein Hochfrequenzmotor mit Resonanzhohlraum, der auch als EM Drive bekannt ist. Der Motor wurde 2001 von Roger Scheuer, einem britischen Wissenschaftler, der die Satellite Propulsion Research Ltd (SPR) für das Projekt gegründet hat, vorgeschlagen und basiert auf der Idee, dass elektromagnetische Mikrowellenhohlräume Elektrizität direkt in Schub umwandeln können.
Während herkömmliche elektromagnetische Motoren so ausgelegt sind, dass sie eine bestimmte Masse (wie ionisierte Partikel) antreiben, hängt dieses spezielle Antriebssystem nicht von der Reaktion der Masse ab und emittiert keine gerichtete Strahlung. Im Allgemeinen wurde dieser Motor mit großer Skepsis aufgenommen, vor allem, weil er gegen das Gesetz der Impulserhaltung verstößt, wonach der Impuls des Systems konstant bleibt und nicht erzeugt oder zerstört werden kann, sondern nur unter Krafteinwirkung verändert wird.
Die jüngsten Experimente mit dieser Technologie haben jedoch eindeutig zu positiven Ergebnissen geführt. Im Juli 2014 gaben die fortgeschrittenen Jet-Wissenschaftler der NASA auf der 50. gemeinsamen AIAA / ASME / SAE / ASEE-Antriebskonferenz in Cleveland, Ohio, bekannt, dass sie ein neues elektromagnetisches Motordesign erfolgreich getestet haben.
Im April 2015 sagten Wissenschaftler der NASA Eagleworks (Teil des Johnson Space Center), sie hätten den Motor erfolgreich im Vakuum getestet, was auf eine mögliche Anwendung im Weltraum hinweisen könnte. Im Juli dieses Jahres entwickelte eine Gruppe von Wissenschaftlern der Abteilung für Raumfahrtsysteme der Technischen Universität Dresden eine eigene Version des Motors und beobachtete einen spürbaren Schub.
Im Jahr 2010 begann Professor Zhuang Yang von der Northwestern Polytechnic University in Xi'an, China, eine Reihe von Artikeln über ihre Forschungen zur EM Drive-Technologie zu veröffentlichen. Im Jahr 2012 wurde eine hohe Eingangsleistung (2,5 kW) und ein fester Schub von 720 Mio. gemeldet. 2014 führte sie auch umfangreiche Tests durch, einschließlich interner Temperaturmessungen mit eingebauten Thermoelementen, die zeigten, dass das System funktionierte.
Nach Berechnungen, die auf dem NASA-Prototyp basieren (der eine Nennleistung von 0,4 N / Kilowatt erhielt), kann ein elektromagnetisch angetriebenes Raumschiff in weniger als 18 Monaten eine Reise nach Pluto unternehmen. Dies ist sechsmal weniger als von der New Horizons-Sonde gefordert, die sich mit einer Geschwindigkeit von 58.000 km / h bewegte.
Klingt beeindruckend. Aber auch in diesem Fall wird das Schiff mit elektromagnetischen Motoren 13.000 Jahre lang nach Proxima Centauri fliegen. Nah dran, aber immer noch nicht genug. Darüber hinaus ist es noch zu früh, um über die Verwendung dieser Technologie zu sprechen, bis alle Punkte in dieser Technologie gepunktet sind.
Nuklearer thermischer und nuklearer elektrischer Antrieb
Eine andere Möglichkeit, einen interstellaren Flug durchzuführen, ist die Verwendung eines mit Atomtriebwerken ausgestatteten Raumfahrzeugs. Die NASA hat solche Optionen seit Jahrzehnten untersucht. Eine nukleare thermische Antriebsrakete könnte Uran- oder Deuteriumreaktoren verwenden, um Wasserstoff im Reaktor zu erhitzen und ihn in ionisiertes Gas (Wasserstoffplasma) umzuwandeln, das dann in die Raketendüse geleitet wird und Schub erzeugt.
Eine nuklear angetriebene Rakete enthält denselben Reaktor, der Wärme und Energie in Elektrizität umwandelt, die dann den Elektromotor antreibt. In beiden Fällen wird die Rakete auf Kernfusion oder Kernspaltung angewiesen sein, um Schub zu erzeugen, und nicht auf den chemischen Treibstoff, mit dem alle modernen Weltraumagenturen arbeiten.
Kernmotoren haben gegenüber chemischen Motoren unbestreitbare Vorteile. Erstens ist die Energiedichte im Vergleich zu Raketentreibstoff praktisch unbegrenzt. Darüber hinaus erzeugt der Kernmotor mehr Schub als die verbrauchte Brennstoffmenge. Dies reduziert die benötigte Kraftstoffmenge und gleichzeitig das Gewicht und die Kosten einer bestimmten Vorrichtung.
Obwohl thermische Kernkraftwerke noch nicht in den Weltraum gelangt sind, wurden ihre Prototypen erstellt und getestet, und es wurden noch mehr vorgeschlagen.
Trotz der Vorteile in Bezug auf Kraftstoffverbrauch und spezifischen Impuls hat das beste der vorgeschlagenen Konzepte für Kernthermomotoren einen maximalen spezifischen Impuls von 5000 Sekunden (50 kNs / kg). Mit Nuklearmotoren, die durch Kernspaltung oder Fusion angetrieben werden, könnten NASA-Wissenschaftler in nur 90 Tagen ein Raumschiff zum Mars liefern, wenn der Rote Planet 55.000.000 Kilometer von der Erde entfernt ist.
Wenn es jedoch um Reisen nach Proxima Centauri geht, wird es Jahrhunderte dauern, bis eine Atomrakete auf einen signifikanten Bruchteil der Lichtgeschwindigkeit beschleunigt ist. Dann wird es mehrere Jahrzehnte dauern und dahinter viele weitere Jahrhunderte der Hemmung auf dem Weg zum Ziel. Wir sind noch 1000 Jahre von unserem Ziel entfernt. Was ist gut für interplanetare Missionen, nicht so gut für interstellare Missionen.
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