Was hält ein Schutzschild eigentlich aus?

[McWire]

Aus den verschiedenen VS-Diskussionen bin ich mal auf die Idee gekommen, die Stärke eines ST-Schutzschildes anhand von onscreen-Szenen zu bestimmten.

Ich weiß nicht wieviele Leute sich an die zugrunde liegende Szene erinnern, daher beschreibe ich sie mal kurz:

Es geht um die DS9-Folge "Zu den Waffen"

Während des Angriff auf die Station, ist eine Gruppe Hideki-Klasse-Schiffe auf die Station zugeflogen. Die Stationsphaser haben den Antrieb einer Hideki-Klasse ausgeschaltet und anschließend ist das Schiff mit dem Schutzschild der Station kollidiert.
Das Schiffe wurde vollständig zerstört.

Der Schutzschild ist allerdings nicht zusammengebrochen, sondern erst viel später, als alle Angreifer sich auf einen bestimmten Punkt konzentriert haben, am äußeren Ring.

Edit: Bilder zu der Szene
TrekCore Star Trek Deep Space Nine DVD Screen Caps
TrekCore Star Trek Deep Space Nine DVD Screen Caps
TrekCore Star Trek Deep Space Nine DVD Screen Caps

Aus dem DS9-Handbuch gibt es zur Hideki-Klasse folgende Daten:
Masse: 120.000.000 kg (120.000 Tonnen)
Abmessungen: 85,78*60,14*12,34 m³

Vermutlich waren ca 25 Tonnen (25.000 kg) Antimaterie an Bord, was in etwa für ein Schiff dieser Größe hinkommt.

Das Schiff hat etwas eine Geschwindigkeit von 5-10 km/s gehabt, also relativ langsam.

Zuallererst muss man bei diesem Crash die kinetische Energie berücksichtigen:

Ek = m/2 * v²

Anschließend muss man noch die freigesetzte Energie der Antimaterie im Tank berücksichtigen.

Ea = ma * c²

Die Gesamt-Energie die der Schutzschild also verkraften musste ist dann

E = Ek + Ea

Setzen wir also mal ein:

Ek = 120.000.000 kg / 2 * 10.000² m²/s²

Ek = 6 * 10^15 J = 6 PJ

Ea = 50.000 kg (2*25.000, weil ja Materie + Antimaterie) * 300.000.000² m²/s²

Ea = 4,5 * 10^21 J = 4.500 EJ

E = Ea + Ek = 4,5 * 10^21 J + 6 * 10^15 J

E = 4,500006* 10^21 J

E ~ 4.500 EJ = 4,5*10^21 J

Also der Schild der Station DS9 hat demnach etwa 4.500 EJ Einschlagsenergie ausgehalten ohne zu kollabieren.

1KT TNT = 4,184 * 10^12 J
1MT TNT = 4,184 * 10^15 J
1GT TNG = 4,184 * 10^18 J

Das entpricht 1075 GigaTonnen TNT.

Es gibt noch weitere onscreen-Beispiele, die ich bei Gelegenheit in diesem Thread mal vorrechnen werde.
Das soll jetzt nicht weiter irgendwelche VS-Threads anheizen, daher habe ich diese Berechnung mal ausserhalb der VS-Threads vorgestellt, da es rein um Star Trek-Universum-interne Angaben geht.

[IGENMAN^500]

Stellt mich richtig, wenn ich falsch liege, aber:

Die Schilde bauen so viel ich weiß auf Raumkrümmung auf. Warum sollte eine Masse, die in diese Schilde einschlägt, diese kollabieren lassen? Bei anderen Formen von Energie (Photonen,... ) kann man streiten, aber wenn es sich um eine kopmpakte Masse handelt...

[McWire]

@ IGENMAN^500

Das eingeschlagene Raumschiff ist ja beim Aufprall explodiert, damit wurde eine Große Menge Energie freigesetzt, die sogar die kinetische Energie des Einschlages der Masse um paar Zehnerpotenzen übertroffen hat.

Ein Schild auf Basis von Raumkrümmung ist eigentlich grundsätzlich sogut wie unzerstörbar.
Egal ob EM-Energie, Partikelstrahlen oder kompakte Materie, er würde alles schlucken, da er die Struktur der Raum-Zeit an sich ändert.

Selbst einen Einschlag mit 500.000 GigaTonnen TNT würde so ein Schild standhalten.

Das Problem ist folgendes:

Deflektorschilde
...
Es besteht aus einer Reihe von starken Deflektorschilden, die das Schiff und seine Besatzung sowohl vor natürlichen als auch künstlichen Gefahren schützen.
Wie die meisten Kraftfeldvorrichtungen erzeugt auch das Deflektorsystem eine begrenzte Zone hochfokusierter räumlicher Verzerrung.
Das Deflektorfeld selbst wird von einer Reihe von konformen Übertragungsgittern auf der Hülle des Raumschiffs ausgestrahlt und geformt, wodurch ein Feld entsteht, das sich eng an die Gestalt des Schiffes anlehnt.
Dieses Feld ist sehr widerstandsfähig gegen Einschläge der unterschiedlichsten Materialien, die von relativistischen subatomaren Partikeln zu massiveren Objekten mit geringer Geschwindigkeit reichen.
Wenn eine solche Störung auftrifft, wird die Feldenergie auf den Aufschlagpunkt konzentriert und erzeugt dort eine stark eng begrenzte Raumverzerrung.
Auf den Beobachter an Bord des Schiffes wirkt es, als würde das eindringende Objekt vom Schild abprallen. Ein nulldimensionaler Beobachter auf dem eindringenden Objekte würde jedoch seine/ihre Flugbahn als unverändert empfinden, während das Schiff plötzlich die Position gewechselt hätte.
Dies ist in gewisser Weise analog zu der räumlichen Verzerrung, die von einer natürlichen Gravitationsquelle hervorgerufen wird, ...

Eben da setzt die Subraumtheorie an

Durch das Subraumfeld wird die Struktur der Raum-Zeit so verändert, dass man mit einigen Tera- bis PetaJoule an Energie den Raum verkrümmen kann.

Ums mal in das Gummituch-Modell zu übetragen, dass Raumschiff erhitzt das Gummi, sodass es sich leichter in die gewünscht Form bringen lässt.

Außerdem sagt der Artikel auf Seite 152 auch, dass der Schutzschild keine ständige Raumverwerfung aufrecht erhält, sondern die Energie auf den Einschlagpunkt konzentriert.
Quasi wenn der Schild aktiviert ist, umgibt ein ständiges, schwaches Subraumfeld das Raumschiff.
Sobald eine Energieform oder ein festes Objekt auf diese Barriere auftrifft, wird am Aufprallpunkt diese Energie so verstärkt, das dort eine lokale Raumverwerfung entsteht, die das Objekt ablenkt.
Dabei wird aber jedesmal das Subraumfeld schwächer, da die Raumverwerfung es schwieriger macht das Feld stabil zu halten, da eine Verwerfung ja nix anderes als eine Störung im Raum-Zeit-Kontinuum darstellt.

Quasi der Schutzschild erzeugt eine Anomalie in der Flugbahn des feindlichen Waffenfeuers um dieses abzublocken, gleichzeitig schwächt diese Anomalie aber auch das Schutzfeld um das Schiff.

Der Schild macht keinen Unterschied zwischen dem Einschläger, egal ob Energiestrahlen oder feste Materie, es wird immer eine Raumverwerfung in die Flugbahn projeziert.
Jedoch schwächt diese Raumverwerfung den Schild, da sie eine Störung im Gefüge der Raum-Zeit darstellt.
Der Schild schadet sich durch seine Funktionsweise selbst, irgendwann wird mal ein Punkt erreicht, wo er einfach kollabiert, da die Störung im Raumgefüge zu groß ist.

[Geforce]

ah mein freund der physiker wo hast du dicheigentlich so lange rumgetrieben?

ich hab mich hier schon mit soo vielen treekies bekämpft dich werd ich auch noch überleben

ne mal im ernst ich finde deine berechnungen sehr gut ich kenne einenSw fan der auch so gut ist und alles sehr realistisch darstellt.

du weisst das ich nix geen diesen raumkrümmungs müll hab weil es mir im grunde wurscht ist wie ein schild funktioniert weil ich sehe was er leisten muss/kann

ich weiß du findest das TM gut ich auch aber leider sind dort auch kleine fehler drin (phaserenergie,schilde...)

du weißt selber das das ganze reines technogeblubber ist und die sich keine physiker/militärexperten ausgedacht haben sondern filmemacher
wenn ich überlege wieviel hunderte millionen die für scheisse ausgegeben haben und ncihtmal 50000$ für nen wissenschaftlichen berater oder so was

naja auf alle fälle überwertest du die schilde denn wenn DS9 schilde wirklich 1000GT aufhalten könnte dann wäre ds9 gegen alle waffen die bei der schlacht waren unverwundbar weil keine waffe der föderation noch des dominion 1000GT aufbringen kann

das große problem ist einfach auch die energieherstellung der schiffe sie ist zu niedrig oder was heißt für das was wir sehen ist es fast immer richtig

bei deinem oben genannten beispeil muss es also einen anderen grund geben warum die schilde nicht gleich eingebrochen sind.

hab mal ne bitte
kannst du bitte den maximale energieherstellung ausrechen
dann sagen wir kann die enterprise 60% für die waffen entbehren in einer schlacht wieviel energie kann sie dann pro sekunde/schuss abgeben

was ist maximal drin?

mfg Geforce

[McWire]

@ GeForce wäre nett wenn du ein paar mehr Satzzeichen gebrauchst und bissl auf Groß- und Kleinschreibung achtest.

Deine letzte Frage habe ich dir hier beantwortet.

Übrigends arbeiten bei Star Trek sehr wohl wissenschaftliche Berater mit an der Serie TNG zumindestens.
Die einzigen 2 anderen Serien die ich noch kenne wo Berater am Werk waren, war Babylon5 und bei Stargate gabs millitärische Berater.
(Bei SG hat ja sogar mal ein echter US-General als Gastauftritt mitspielt)

Die Sache mit der Raumkrümmung wurde mal in den 1970er 1980er von Wissenschaftlern als mögliche theoretische Verteidigungsform diskutiert, aber genau wie der Warpantrieb aufgrund praktischer Umsetzungsprobleme und extremen Energieaufwand verworfen.

[Hades]

Mal so ne Frage, normale Schiffsschilde bei Star Trek basieren also auf Raumverwerfungen.
Wie siehts den mit den innerhalb des Schiffes aus?
Also Atmosphärischen Schilden in den Hangars, Schilden in den Arrestzellen u.s.w.

[McWire]

Naja Gase wie Luft, die paramagnetisch sind kann man auch mit Kraftfelder auf elektromagnetischer Basis zurückhalten.

Vorallem können Schilde auf Raumkrümmungsbasis wahrscheinlich keine großflächigen Belastungen aushalten, das würde ein gleichmäßig Feld bedingen, welches bei Manipulationen der Raumzeit nicht so einfach gegeben ist, da dies nur punktuell ist.

Die einzige Ausnahme wäre es, wenn der Raumverwerfungsschild nur eine extrem dünne Verkettung mehrerer Raumverzerrungen erzeugt, aber auf eine großen Fläche.
Das Problem ist ja, das wir nicht wissen wie dick eigentlich der Schutzschild ist.
Wenn er die Breite eines Atoms hat, wären damit die meisten onscreen-Effekte erklärbar und das TM hätte trotzdem recht.

Allerdings wird der Schild nur sichtbar, wenn ein Strahl oder Objekt mit ihm in Kontakt kommt und auch nur wenn der Druck eine gewisse Grenze überschreitet, da ja der Luftdruck anscheinden nicht ausreicht um ihn sichtbar zu machen.
Permanente Raumverzerrung würden in Form von optischen Effekten aber sichtbar werden.

Da liegt ja der Widerspruch den z.B. GeForce an dieser Theorie bemängelt.

Allerdings würde ein EM-Schutzschild sich auch auf Lichtquanten auswirken, da er ja nicht nur geladene Teilchen abhalten muss sondern auch neutrale.

Die beste Erklärung ist, dass der Schutzschild ein Subraumfeld ist, welches permant im Subraum sich befindet und das nur im Normalraum wirksam wird, sobald eine ausreichene Energiedichte (eine Masse ist ja auch eine Energiedichte) in seine Nähe kommt.

Um mal ein vorstellbares Modell zu zeigen:

Stellt euch die Raumzeit als Gummituch vor und den Subraum als Wasserschicht darunter und das Subraumfeld des Schildes als Wasser.
Der Schildgenerator schafft eine Schwachstelle im Gummituch, die so schwach ist, dass das Wasser nicht von alleine durchkommt, aber sobald eine Energiedichte drüberwegläuft (z.B. ein Energiestrahl oder ein Materieklumpen), die eine Delle (Raumkrümmung) verursacht, wird das Wasser (Subraumfeld) durchgedrückt und hält die Energiedichte zurück.

Allerdings wäre so ein Schild u.U. durchlässig für besonders kleine Teilchen (geringe Energiedichten und damit geringer Raumkrümmung) und könnte somit auch für relativ dünne Gase (z.B. Luft) durchlässig sein.

Ich mache mir schon seit 10 Jahre so meine Gedanken wie ein Schutzschild funktionieren könnte und ob man alle onscreen-Dinge erklären kann.
Bis jetzt gabs noch keine Theorie, die alles Details erklären kann.

[Lonzak]

Vermutlich waren ca 25 Tonnen (25.000 kg) Antimaterie an Bord, was in etwa für ein Schiff dieser Größe hinkommt.

Das Schiff hat etwas eine Geschwindigkeit von 5-10 km/s gehabt, also relativ langsam.

Zuallererst muss man bei diesem Crash die kinetische Energie berücksichtigen:

Ek = m/2 * v²

Anschließend muss man noch die freigesetzte Energie der Antimaterie im Tank berücksichtigen.

Ea = ma * c²

Die Gesamt-Energie die der Schutzschild also verkraften musste ist dann

E = Ek + Ea

Setzen wir also mal ein:

Ek = 120.000.000 kg / 2 * 10.000² m²/s²

Ek = 6 * 10^15 J = 6 PJ

Ea = 50.000 kg (2*25.000, weil ja Materie + Antimaterie) * 300.000.000² m²/s²

Ea = 4,5 * 10^21 J = 4.500 EJ

E = Ea + Ek = 4,5 * 10^21 J + 6 * 10^15 J

E = 4,500006* 10^21 J

E ~ 4.500 EJ = 4,5*10^21 J

Also der Schild der Station DS9 hat demnach etwa 4.500 EJ Einschlagsenergie ausgehalten ohne zu kollabieren.

1KT TNT = 4,184 * 10^12 J
1MT TNT = 4,184 * 10^15 J
1GT TNG = 4,184 * 10^18 J

Das entpricht 1075 GigaTonnen TNT.

Jupp, damit würde der Schild den Einschlag eines Asteroiden mit 10 km/s aushalten, welcher einen 4 mal größeren Durchmesser als sie selbst hat.
(Größenvergleich siehe Anhang) Wenn ich mich in der Eile nicht verrechnet habe.

Vielleicht ist deine Energetische Abschätzung zu sehr vereinfacht.
Und zwar speziell beim Punkt Energie der Antimaterie.
Du hast zwar richtig gerechnet wieviel Energie freigesetzt wird, aber die Tatsache, daß der Schild diese Energie "schlucken" muss ist teilweise wegdiskutierbar.
25 Tonnen AM reagieren mit 25 Tonnen Materie zu -vereinfachen wir es mal- hochenergetischer EM-Strahlung. Bleiben also noch 119.950 Tonnen Schiff übrig, die sich quasi in Luft auflösen müssen. Die Energie dazu kommt aus der Materie/Antimaterie Annihilation, woher sonst. Da man aber nun überhaupt nicht weiß wieviel Energie notwendig ist um Duranium (oder etwas Vergleichbares) zu "pulverisieren", kann man auch nicht sagen wieviel Energie dafür notwendig ist.
Wenn Duranium wirklich so wiederstandsfähig ist, wie immer behauptet wird, dann müssen die Kräfte zwischen den einzelnen Duranium Atomen/Molekülen sehr groß sein, respektive brauche ich auch eine dementsprechend große Energie um sie voneinander zu trennen.
Wenn man das Duranium nur hart genug "annimmt" läßt sich damit schon eine nahezu beliebige Menge an Energie wegdiskutieren. Dazu kommt dann noch, daß der Schild weniger als die Hälfte des vollen Raumwinkels des einschlagenden Schiffes einnimmt. Da die Explosion aber in alle Richtungen gleichmäßig erfolgt geht schonmal die Hälfte der energie nicht in den Schild.

Betrachtet man dann noch eine Reihe weiterer Faktoren, die dein Modell der Realität näher bringen, dann kann man sicherlich die Energiemenge, die der Schild aushält in Größenordnungen diskutieren, welche etwas "realistischer" sind. (realistisch im Sinne von: weniger widersprüchlich mit dem was man onscreen gesehen hat)

[McWire]

Da man aber nun überhaupt nicht weiß wieviel Energie notwendig ist um Duranium (oder etwas Vergleichbares) zu "pulverisieren", kann man auch nicht sagen wieviel Energie dafür notwendig ist.
Wenn Duranium wirklich so wiederstandsfähig ist, wie immer behauptet wird, dann müssen die Kräfte zwischen den einzelnen Duranium Atomen/Molekülen sehr groß sein, respektive brauche ich auch eine dementsprechend große Energie um sie voneinander zu trennen.
Wenn man das Duranium nur hart genug "annimmt" läßt sich damit schon eine nahezu beliebige Menge an Energie wegdiskutieren. Dazu kommt dann noch, daß der Schild weniger als die Hälfte des vollen Raumwinkels des einschlagenden Schiffes einnimmt. Da die Explosion aber in alle Richtungen gleichmäßig erfolgt geht schonmal die Hälfte der energie nicht in den Schild.

Betrachtet man dann noch eine Reihe weiterer Faktoren, die dein Modell der Realität näher bringen, dann kann man sicherlich die Energiemenge, die der Schild aushält in Größenordnungen diskutieren, welche etwas "realistischer" sind. (realistisch im Sinne von: weniger widersprüchlich mit dem was man onscreen gesehen hat)

Das Problem ist auch, dass onscreen kein Stück der Hideki-Klasse durch den Schild durchgekommen ist.
Zumindestens gabs keine signifikanten Schäden an der Station.
d.h. der Schild war kompakt genug die komplette Masse des Raumschiffes, die nach der Explosion übriggeblieben ist, abzustoßen.

Klar kann man nicht 100% der Energie als Einschlagsenergie direkt auf den Schild annehmen, außer vielleicht der kinetische Energieanteil.
Auch hat es ja nur einen Teilschild getroffen, sodass der Gesamtschild deutlich mehr aushalten kann.

Das kompensiert sich alles gegenseitig.
Also 100 GigaTonnen TNT wird der Gesamtschild der Station DS9 mindestens aushalten, also 10% des Wertes aus meiner Rechnung.
Wie jedes Modell, ist auch diese Berechnung nur eine Vereinfachung der "Realität".

Außerdem gibts nochmal onscreen-Szenen wo man Schildstärken ausrechnen kann.
Wie gesagt, ich trage gerne noch mehr zusammen und wir können durchaus darüber diskutieren


@ Lonzak

Mit welcher Asteroidendichte/Masse hast du denn gerechnet?

[Nachtstute]

Gigatonnen hört sich viel an, aber ich dnek man kann nicht wikrlich soviel Warhheit aus Star Trek Ds9 ziehen. Könnt ihr euch an die Szene erinnern, als die Defiant im Weltall rumttreibt und "Köder" spielt. Dann muss sich dieser uralte Bird of Prey nur kurz enttarnen und zweimal feuern und schon ist ein Dominion Schiff zerstört. Die Schulde sind einfach nicht vergleichbar, die sind immer so stark wie es die Serie gerade braucht.

[Lonzak]

@ Lonzak

Mit welcher Asteroidendichte/Masse hast du denn gerechnet?

Ich habe mal 3,5 g/cm³ angenommen. Das dürfte sich wohl im Bereich der meisten Asteroiden in unserem Sonnensystem bewegen. Kannst ja mal nachrechnen, hatte gerade kein Papier zur Hand, da stellt man Gleichungen auch mal gerne falsch um *hust*

Ich wollte ja auch nur ausdrücken, daß die von dir angebrachte Szene einer kritischen Betrachtung im Zweifelsfall nicht standhält. Eben wegen der vielen Unbekannten und der Komplexität der Explosionsthematik. Da ich aber kein besseres parat habe, wollte ich es nicht kaputtreden - nur den Keim eines Zweifels sähen... man sollte Rechenbeispielen kritisch gegenüber stehen, wenn die zu verwendenden Gleichungssystem unterbestimmt sind und man zu starke Vereinfachungen machen muss.

[Hades]

Ich hab kurz den Überblick in deiner Rechnung verloren.
Nimmst du an, das die gesamte Energie der AM-M-Reaktion auf den Schild trifft? Da sich die Gammastrahlung wohl in alle Richtungen ausbreitet dürfte nur weniger als 50% auftreffen.

[McWire]

Es ist eine stark vereinfachte Rechnung... ich gehe davon aus, dass die Hideki im Schildperimeter explodiert ist und das ein Großteil der Energie auf den Schild eingewirkt hat.
Quasi wenn eine Gewehrkugel mit Sprengstoff beladen, genau in der Wand eines Objektes explodiert, dadurch wird auch die nach aussen strebende Energie noch teilweise wirksam.

Ich denke aber mal, realistisch sind eher 25% der Gesamtenergie.

[Hades]

Ich hab mir mal wieder was durch den Kopfgehen lassen:
Die einwirkung von tachionenladungen auf Schide.
Wie man in ST IX sah reichten die Entladungen von Tachionen aus das kleine und (mittel-)große Schiffe ihre Schildabstimmung ändern musste, was schon einen Transport ermöglichte.

Ich frage mich jetzt, ob dieser Effekt nur den Einsatz von Transporten ermöglich, oder auch das Durchdringen durch Waffen.

Den sonst hät ich ne Idee für neue Föderationswaffen:
Torpedos mit einem Tachionenemittern, der sich erstmal ein Loch in den Schild öffnet, jenen durchdringt und sich gleich die Hülle vorknöpft.

Natürlich wären solche Torpedos bei DS9 völlig nutzlos, da es ja sowieso keine Schilde gibt.

[McWire]

Tachyonen sind Subraumpartikel.
Da ein Star Trek-Schutzschild ein Subraumfeld ist, welches die normale Raum-Zeit manipuliert, kann so ein Schutzschild durch Subraumpartikel gestört werden.

Vergleichbar etwa wenn man in ein starkes Magnetfeld Eisenspäne oder geladene Partikel einbringt, was auch zu Störungen führen würde.

Ich denke mal mit den "richtigen" Subraumpartikel benutzt, kann man den Schild auch ganz zum Kollabieren bringen, oder in seiner Wirkung extrem abschwächen.