- Teil 1 -
Wenn Sie vorhandene Technologien verwenden, wird es sehr, sehr lange dauern, Wissenschaftler und Astronauten auf eine interstellare Mission zu schicken. Die Reise wird schmerzhaft lang sein (auch nach kosmischen Maßstäben). Wenn wir eine solche Reise in mindestens einem Leben, einer Generation oder einer Generation unternehmen wollen, brauchen wir radikalere (sprich: rein theoretische) Maßnahmen. Und wenn Wurmlöcher und Subraum-Engines im Moment absolut fantastisch sind, gibt es seit vielen Jahren andere Ideen, an die wir glauben.
Kernkraftwerk
Ein Kernkraftwerk ist ein theoretisch möglicher "Motor" für eine schnelle Raumfahrt. Das Konzept wurde ursprünglich 1946 von Stanislaw Ulam, einem polnisch-amerikanischen Mathematiker, der am Manhattan-Projekt teilnahm, vorgeschlagen, und vorläufige Berechnungen wurden 1947 von F. Reines und Ulam durchgeführt. Das Orion-Projekt wurde 1958 gestartet und bestand bis 1963.
Unter der Leitung von Ted Taylor von General Atomics und dem Physiker Freeman Dyson vom Institute for Advanced Study in Princeton würde Orion die Kraft gepulster nuklearer Explosionen nutzen, um einen enormen Schub mit sehr hohen spezifischen Impulsen zu erzielen.
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Kurz gesagt, Project Orion enthält ein großes Raumschiff, das Geschwindigkeit aufnimmt, indem es thermonukleare Sprengköpfe unterstützt, Bomben zurückwirft und beschleunigt, wenn eine Druckwelle in einen hinten montierten Drücker, eine Schubplatte, entweicht. Nach jedem Stoß wird die Explosionskraft von dieser Platte absorbiert und in Vorwärtsbewegung umgewandelt.
Obwohl dieses Design für moderne Verhältnisse kaum elegant ist, besteht der Vorteil des Konzepts darin, dass es einen hohen spezifischen Schub liefert - das heißt, es entzieht einer Brennstoffquelle (in diesem Fall Atombomben) die maximale Energiemenge zu den niedrigsten Kosten. Darüber hinaus kann dieses Konzept theoretisch sehr hohe Geschwindigkeiten nach Schätzungen auf bis zu 5% der Lichtgeschwindigkeit (5,4 x 107 km / h) beschleunigen.
Natürlich hat dieses Projekt unvermeidliche Nachteile. Ein Schiff dieser Größe wäre einerseits extrem teuer zu bauen. Im Jahr 1968 schätzte Dyson, dass das mit Wasserstoffbomben betriebene Orion-Raumschiff zwischen 400.000 und 4.000.000 Tonnen wiegen würde. Und mindestens drei Viertel dieses Gewichts werden von Atombomben stammen, die jeweils etwa eine Tonne wiegen.
Dysons konservative Schätzung ergab, dass die Gesamtkosten für den Bau von Orion 367 Milliarden US-Dollar betragen hätten. Inflationsbereinigt beträgt dieser Betrag 2,5 Billionen US-Dollar, was ziemlich viel ist. Selbst mit den konservativsten Schätzungen wird die Herstellung des Geräts extrem teuer sein.
Es gibt auch ein kleines Problem der Strahlung, die es emittieren wird, ganz zu schweigen von Atommüll. Es wird angenommen, dass das Projekt aus diesem Grund im Rahmen des Vertrags über das teilweise Testverbot von 1963 abgesagt wurde, als die Weltregierungen versuchten, die Atomtests einzuschränken und die übermäßige Freisetzung radioaktiver Niederschläge in die Atmosphäre des Planeten zu stoppen.
Kernfusionsraketen
Eine andere Möglichkeit, Kernenergie zu nutzen, sind thermonukleare Reaktionen zur Erzeugung von Schub. Bei diesem Konzept muss Energie durch Trägheitsbeschränkung erzeugt werden, indem Pellets eines Gemisches aus Deuterium und Helium-3 in einer Reaktionskammer unter Verwendung von Elektronenstrahlen gezündet werden (ähnlich wie beim National Ignition Complex in Kalifornien). Ein solcher Fusionsreaktor würde 250 Pellets pro Sekunde zur Detonation bringen und ein hochenergetisches Plasma erzeugen, das dann in eine Düse umgeleitet würde und Schub erzeugt.
Wie eine Rakete, die auf einem Kernreaktor basiert, hat dieses Konzept Vorteile hinsichtlich Brennstoffeffizienz und spezifischem Impuls. Die geschätzte Geschwindigkeit sollte 10.600 km / h erreichen und damit deutlich über den Geschwindigkeitsbegrenzungen herkömmlicher Raketen liegen. Darüber hinaus wurde diese Technologie in den letzten Jahrzehnten eingehend untersucht und es wurden viele Vorschläge gemacht.
Beispielsweise führte die British Interplanetary Society zwischen 1973 und 1978 eine Machbarkeitsstudie für das Projekt Daedalus durch. Ausgehend von modernen Kenntnissen und Technologien der thermonuklearen Fusion forderten die Wissenschaftler den Bau einer zweistufigen unbemannten wissenschaftlichen Sonde, die über ein menschliches Leben hinweg Barnards Stern (5,9 Lichtjahre von der Erde entfernt) erreichen könnte.
Die erste Stufe, die größte der beiden, würde 2,05 Jahre dauern und das Fahrzeug auf 7,1% der Lichtgeschwindigkeit beschleunigen. Dann wird diese Stufe verworfen, die zweite wird gezündet und die Vorrichtung beschleunigt in 1,8 Jahren auf 12% der Lichtgeschwindigkeit. Dann wird der Motor der zweiten Stufe abgestellt und das Schiff fliegt seit 46 Jahren.
Das Projekt Daedalus schätzt, dass die Mission 50 Jahre dauern würde, um Barnards Stern zu erreichen. Wenn nach Proxima Centauri, wird das gleiche Schiff in 36 Jahren erreichen. Aber das Projekt enthält natürlich viele ungelöste Probleme, die insbesondere durch den Einsatz moderner Technologien nicht gelöst werden können - und die meisten davon sind noch nicht gelöst.
Zum Beispiel gibt es praktisch kein Helium-3 auf der Erde, was bedeutet, dass es an anderer Stelle abgebaut werden muss (höchstwahrscheinlich auf dem Mond). Zweitens erfordert die Reaktion, die das Fahrzeug antreibt, dass die emittierte Energie viel größer ist als die Energie, die zum Auslösen der Reaktion aufgewendet wird. Und obwohl Experimente auf der Erde bereits den "Break-Even-Punkt" überschritten haben, sind wir immer noch weit von der Energiemenge entfernt, die ein interstellares Fahrzeug antreiben kann.
Drittens bleibt die Frage der Kosten eines solchen Schiffes offen. Selbst nach den bescheidenen Maßstäben eines unbemannten Projekts Daedalus würde ein voll ausgestattetes Fahrzeug 60.000 Tonnen wiegen. Nur damit Sie wissen, beträgt das Bruttogewicht der NASA SLS etwas mehr als 30 Tonnen, und allein der Start wird 5 Milliarden US-Dollar kosten (Schätzungen für 2013).
Kurz gesagt, der Bau einer Fusionsrakete ist nicht nur zu teuer, sondern erfordert auch ein Fusionsreaktorniveau, das weit über unsere Möglichkeiten hinausgeht. Icarus Interstellar, eine internationale Organisation von Zivilwissenschaftlern (von denen einige für die NASA oder die ESA gearbeitet haben), versucht, das Konzept mit dem Projekt Icarus wiederzubeleben. Die 2009 versammelte Gruppe hofft, die Fusionsbewegung (und andere) auf absehbare Zeit möglich zu machen.
Thermonuklearer Ramjet
Das Triebwerk, auch als Bussard-Staustrahl bekannt, wurde erstmals 1960 vom Physiker Robert Bussard vorgeschlagen. Im Kern handelt es sich um eine Verbesserung der thermonuklearen Standardrakete, bei der mithilfe von Magnetfeldern Wasserstoffbrennstoff bis zur Schmelze komprimiert wird. Bei einem Staustrahltriebwerk saugt ein riesiger elektromagnetischer Trichter Wasserstoff aus dem interstellaren Medium an und schüttet ihn als Brennstoff in den Reaktor.
Wenn das Fahrzeug an Geschwindigkeit gewinnt, tritt die reaktive Masse in das begrenzende Magnetfeld ein, das es komprimiert, bevor die Fusion beginnt. Das Magnetfeld leitet dann Energie in die Raketendüse und beschleunigt das Schiff. Da keine Kraftstofftanks es verlangsamen, kann ein thermonuklearer Staustrahl Geschwindigkeiten in der Größenordnung von 4% Licht erreichen und überall in der Galaxie hingehen.
Trotzdem hat diese Mission viele mögliche Nachteile. Zum Beispiel das Problem der Reibung. Das Raumschiff ist auf hohe Treibstoffsammelraten angewiesen, kollidiert aber auch mit großen Mengen interstellaren Wasserstoffs und verliert an Geschwindigkeit - insbesondere in dichten Regionen der Galaxie. Zweitens gibt es im Weltraum nicht viel Deuterium und Tritium (die in Reaktoren auf der Erde verwendet werden), und die Synthese von gewöhnlichem Wasserstoff, der im Weltraum reichlich vorhanden ist, liegt immer noch außerhalb unserer Kontrolle.
Science Fiction hat dieses Konzept jedoch immer mehr geliebt. Das bekannteste Beispiel ist vielleicht das Star Trek-Franchise, das die Bussard Collectors verwendet. In Wirklichkeit ist unser Verständnis von Fusionsreaktoren bei weitem nicht so perfekt, wie wir es uns wünschen.
Lasersegel
Sonnensegel gelten seit langem als ein wirksames Mittel zur Eroberung des Sonnensystems. Sie sind nicht nur relativ einfach und billig herzustellen, sondern haben auch ein großes Plus: Sie brauchen keinen Kraftstoff. Anstatt Raketen zu verwenden, die Treibstoff benötigen, nutzt das Segel den Druck der Strahlung der Sterne, um ultradünne Spiegel auf hohe Geschwindigkeiten zu bringen.
Im Falle eines interstellaren Fluges müsste ein solches Segel jedoch von fokussierten Energiestrahlen (Laser oder Mikrowellen) angetrieben werden, um auf nahezu Lichtgeschwindigkeit zu beschleunigen. Das Konzept wurde erstmals 1984 von Robert Forward, einem Physiker am Hughes Aircraft Laboratory, vorgeschlagen.
Seine Idee behält die Vorteile eines Sonnensegels bei, da es keinen Treibstoff an Bord benötigt und die Laserenergie nicht wie die Sonnenstrahlung über eine Entfernung gestreut wird. Während das Lasersegel einige Zeit braucht, um auf nahezu Lichtgeschwindigkeit zu beschleunigen, wird es anschließend nur durch die Lichtgeschwindigkeit selbst begrenzt.
Laut einer Studie von Robert Frisbee aus dem Jahr 2000, Direktor für fortgeschrittene Antriebsforschung am Jet Propulsion Laboratory der NASA, würde ein Lasersegel in weniger als zehn Jahren die Hälfte der Lichtgeschwindigkeit erreichen. Er berechnete auch, dass ein Segel mit einem Durchmesser von 320 Kilometern in 12 Jahren Proxima Centauri erreichen könnte. In nur 9 Jahren wird ein Segel mit einem Durchmesser von 965 Kilometern eintreffen.
Ein solches Segel muss jedoch aus fortschrittlichen Verbundwerkstoffen hergestellt werden, um ein Schmelzen zu vermeiden. Was angesichts der Größe des Segels besonders schwierig sein wird. Die Kosten sind noch schlimmer. Laut Frisbee benötigen Laser einen stetigen Strom von 17.000 Terawatt Energie - ungefähr so viel, wie die ganze Welt an einem Tag verbraucht.
Antimaterie-Motor
Science-Fiction-Liebhaber wissen genau, was Antimaterie ist. Aber wenn Sie es vergessen haben, ist Antimaterie eine Substanz, die aus Partikeln besteht, die die gleiche Masse wie gewöhnliche Partikel haben, aber die entgegengesetzte Ladung haben. Ein Antimaterie-Motor ist ein hypothetischer Motor, der auf Wechselwirkungen zwischen Materie und Antimaterie beruht, um Energie zu erzeugen oder Schub zu erzeugen.
Kurz gesagt, ein Antimateriemotor verwendet Partikel von Wasserstoff und Antiwasserstoff, die miteinander kollidieren. Die beim Vernichtungsprozess freigesetzte Energie ist volumenmäßig vergleichbar mit der Explosionsenergie einer thermonuklearen Bombe, die von einem Strom subatomarer Teilchen - Pionen und Myonen - begleitet wird. Diese Partikel, die sich mit einem Drittel der Lichtgeschwindigkeit fortbewegen, werden in die Magnetdüse umgeleitet und erzeugen Schub.
Der Vorteil dieser Raketenklasse besteht darin, dass der größte Teil der Masse des Materie / Antimaterie-Gemisches in Energie umgewandelt werden kann, was eine hohe Energiedichte und einen spezifischen Impuls liefert, der jeder anderen Rakete überlegen ist. Darüber hinaus kann die Vernichtungsreaktion die Rakete auf die Hälfte der Lichtgeschwindigkeit beschleunigen.
Diese Raketenklasse wird die schnellste und energieeffizienteste sein (oder unmöglich, aber vorgeschlagen). Wenn herkömmliche chemische Raketen Tonnen Treibstoff benötigen, um ein Raumschiff an seinen Bestimmungsort zu bringen, erledigt ein Antimaterie-Motor die gleiche Aufgabe mit wenigen Milligramm Treibstoff. Die gegenseitige Zerstörung eines halben Kilogramms Wasserstoff- und Antiwasserstoffpartikel setzt mehr Energie frei als eine 10-Megatonnen-Wasserstoffbombe.
Aus diesem Grund untersucht das Advanced Concepts Institute der NASA diese Technologie für zukünftige Missionen zum Mars. Leider steigt bei der Betrachtung von Missionen zu nahe gelegenen Sternensystemen die benötigte Treibstoffmenge exponentiell an und die Kosten werden astronomisch (und dies ist kein Wortspiel).
Laut einem Bericht, der für die 39. gemeinsame Antriebskonferenz und Ausstellung AIAA / ASME / SAE / ASEE erstellt wurde, benötigt eine zweistufige Antimaterie-Rakete in 40 Jahren mehr als 815.000 Tonnen Treibstoff, um Proxima Centauri zu erreichen. Es ist relativ schnell. Aber der Preis …
Obwohl ein Gramm Antimaterie eine unglaubliche Menge an Energie produziert, würde die Produktion von einem Gramm allein 25 Millionen Milliarden Kilowattstunden Energie erfordern und sich auf eine Billion Dollar belaufen. Derzeit beträgt die Gesamtmenge an Antimaterie, die vom Menschen erzeugt wurde, weniger als 20 Nanogramm.
Und selbst wenn wir Antimaterie billig produzieren könnten, bräuchten wir ein massives Schiff, das die erforderliche Menge an Treibstoff aufnehmen könnte. Laut einem Bericht von Dr. Darrell Smith und Jonathan Webby von der Embry-Riddle Aviation University in Arizona könnte ein interstellares Schiff mit Antimaterie-Antrieb in etwas mehr als 8 Jahren eine Lichtgeschwindigkeit von 0,5 erreichen und Proxima Centauri erreichen. Das Schiff selbst würde jedoch 400 Tonnen wiegen und 170 Tonnen Antimaterietreibstoff benötigen.
Ein möglicher Weg, dies zu umgehen, besteht darin, ein Gefäß zu schaffen, das Antimaterie erzeugt und es dann als Brennstoff verwendet. Dieses Konzept, bekannt als VARIES (Vacuum to Antimatter Rocket Interstellar Explorer System), wurde von Richard Obausi von Icarus Interstellar vorgeschlagen. Aufbauend auf der Idee der Wiederaufbereitung vor Ort würde das VARIES-Schiff große Laser (angetrieben von riesigen Sonnenkollektoren) verwenden, die beim Abfeuern in den leeren Raum Antimaterieteilchen erzeugen.
Ähnlich wie bei einem thermonuklearen Staustrahltriebwerk löst dieser Vorschlag das Problem des Kraftstofftransports, indem er direkt aus dem Weltraum extrahiert wird. Aber auch hier werden die Kosten eines solchen Schiffes extrem hoch sein, wenn es mit unseren modernen Methoden gebaut wird. Wir können einfach keine massive Antimaterie erzeugen. Das Strahlungsproblem muss ebenfalls angegangen werden, da die Vernichtung von Materie und Antimaterie hochenergetische Gammastrahlen erzeugt.
Sie stellen nicht nur eine Gefahr für die Besatzung dar, sondern auch für den Motor, damit sie unter dem Einfluss all dieser Strahlung nicht in subatomare Partikel zerfallen. Kurz gesagt, ein Antimateriemotor ist mit unserer aktuellen Technologie völlig unpraktisch.
Alcubierre Warp Drive
Science-Fiction-Liebhaber sind zweifellos mit dem Konzept des Warp-Antriebs (oder Alcubierre-Antriebs) vertraut. Diese Idee, die 1994 vom mexikanischen Physiker Miguel Alcubierre vorgeschlagen wurde, war ein Versuch, sich eine augenblickliche Bewegung im Raum vorzustellen, ohne Einsteins spezielle Relativitätstheorie zu verletzen. Kurz gesagt, bei diesem Konzept wird das Gewebe der Raumzeit zu einer Welle gedehnt, was theoretisch dazu führen würde, dass sich der Raum vor dem Objekt zusammenzieht und sich dahinter ausdehnt.
Ein Objekt in dieser Welle (unser Schiff) kann auf dieser Welle in einer "Warp-Blase" mit einer Geschwindigkeit reiten, die viel höher ist als die relativistische. Da sich das Schiff nicht in der Blase selbst bewegt, sondern von ihr getragen wird, werden die Gesetze der Relativitätstheorie und der Raumzeit nicht verletzt. Tatsächlich beinhaltet diese Methode keine Bewegung, die schneller als die Lichtgeschwindigkeit im lokalen Sinne ist.
Es ist "schneller als Licht" nur in dem Sinne, dass das Schiff sein Ziel schneller erreichen kann als ein Lichtstrahl, der sich außerhalb der Warpblase bewegt. Vorausgesetzt, das Raumschiff wird mit dem Alcubierre-System ausgestattet sein, wird es in weniger als 4 Jahren Proxima Centauri erreichen. Wenn wir also über theoretische interstellare Raumfahrt sprechen, ist dies die mit Abstand vielversprechendste Technologie in Bezug auf die Geschwindigkeit.
Natürlich ist dieses ganze Konzept äußerst umstritten. Zu den Argumenten dagegen gehört beispielsweise, dass die Quantenmechanik nicht berücksichtigt wird und durch eine Theorie von allem (wie die Schleifenquantengravitation) widerlegt werden kann. Berechnungen der erforderlichen Energiemenge zeigten auch, dass der Warp-Antrieb unerschwinglich unersättlich wäre. Weitere Unsicherheiten sind die Sicherheit eines solchen Systems, Raum-Zeit-Effekte am Zielort und Verstöße gegen die Kausalität.
Im Jahr 2012 erklärte der NASA-Wissenschaftler Harold White, er und seine Kollegen hätten begonnen, die Möglichkeit der Entwicklung des Alcubierre-Motors zu prüfen. White gab an, ein Interferometer gebaut zu haben, das die räumlichen Verzerrungen erfasst, die durch die Ausdehnung und Kontraktion der Raumzeit der Alcubierre-Metrik entstehen.
2013 veröffentlichte das Jet Propulsion Laboratory die Ergebnisse von Warp-Feldtests, die unter Vakuumbedingungen durchgeführt wurden. Leider wurden die Ergebnisse als „nicht schlüssig“eingestuft. Auf lange Sicht können wir feststellen, dass die Alcubierre-Metrik gegen ein oder mehrere grundlegende Naturgesetze verstößt. Und selbst wenn sich seine Physik als richtig herausstellt, gibt es keine Garantie dafür, dass das Alcubierre-System für den Flug verwendet werden kann.
Im Allgemeinen ist alles wie gewohnt: Sie wurden zu früh geboren, um zum nächsten Stern zu reisen. Wenn die Menschheit jedoch das Bedürfnis verspürt, eine "interstellare Arche" zu bauen, die eine sich selbst tragende menschliche Gesellschaft beherbergt, wird es hundert Jahre dauern, bis sie Proxima Centauri erreicht. Wenn wir natürlich in eine solche Veranstaltung investieren wollen.
In Bezug auf die Zeit scheinen alle verfügbaren Methoden äußerst begrenzt zu sein. Und wenn wir Hunderttausende von Jahren damit verbringen, zum nächsten Stern zu reisen, sind wir möglicherweise von geringem Interesse, wenn unser eigenes Überleben auf dem Spiel steht, da die Weltraumtechnologie Fortschritte macht, werden die Methoden äußerst unpraktisch bleiben. Wenn unsere Arche den nächsten Stern erreicht, werden ihre Technologien veraltet sein und die Menschheit selbst existiert möglicherweise nicht mehr.
Wenn wir also keinen großen Durchbruch in der Fusions-, Antimaterie- oder Lasertechnologie erzielen, werden wir uns damit zufrieden geben, unser eigenes Sonnensystem zu erforschen.
Basierend auf Materialien von Universe Today
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