Reise zum Alpha Centauri

[McWire]

Was stimmt nun?

Und wie ist das eigentlich mit der Beziehung von Ausströmgeschwindigkeit und Endgeschwindigkeit? Kann zb ein Raumschiff mit Ionenantrieb eine höhere Endgeschwindigkeit haben, als die Austrittsgeschwindigkeit der ionisierten Gase beträgt? Fall`s ja - um wieviel kann die Endgeschwindigkeit die Ausströmgeschwindigkeit übertreffen?

Dafür gibt es eine Raketengleichung:
v(m) = v(Triebwerk) * lg (m0 / m)

Die Maximalgeschwindigkeit bekommt man, wenn man die Ausgangsmasse m0 und die Nutzlast m = m(Nutz) kennt.

Bei einer Sonde von 300 Tonnen und einer Nutzlast von 10 Tonnen, kann bei einer Ausströmgeschwindigkeit von 100 km/s eines Ionentriebwerks eine Endgeschwindigkeit von 148 km/s erreicht werden.
Bei 148 km/s ist also der Treibstoff aufgebraucht und es ist nur noch die Nutzlast übrig.

Wenn du allerdings unterwegs neuen Treibstoff einsammelst, hast du diese Grenze nicht. Du kannst also endlos weiter beschleunigen und somit immer schneller werden. Allerdings hat man dann noch das Problem, dass das Einfangen von Teilchen den Impuls und damit die Geschwindigkeit des Raumschiffes beeinflusst. Man wird also dabei erstmal wieder etwas langsamer.

[McWire]

Übrigens für den Fall das man nahe an die Lichtgeschwindigkeit heran kommt, gibt es noch die relativistische Raketengleichung:

v0 = Ausströmgeschwindigkeit
vE = Endgeschwindigkeit der Rakete
Ma = Startmasse (= Treibstoff + Nutzlast)
Me = Endmasse (=Nutzlast)



Ich hoffe die ist korrekt.

[McWire]

Ich habe mir zudem den Spaß gemacht beide Gleichungen in einer Excel-Tabelle zusammen zu fassen.

Diese Tabelle ist als zip gepackt im Anhang dieses Beitrages enthalten. Dort sieht man auch, dass die klassische Gleichung einen anderen Wert liefert.

Gelbe Felder sind Eingabemöglichkeiten und grüne Felder sind Ergebniswerte.

[tepe]

Ich finde es immer wieder lustig, wie hier im Forum, egal ob SF oder Wissenschaft & Technik, über Höchstgeschwindigkeiten gestritten / diskutiert wird.

Im Weltraum gibt es nur eine vernachlässigbar geringe Reibung die mindestens 12 Größenordnungen unter der irdischer Luft liegt. Solange der Antrieb läuft, solange wird das Raumschiff schneller. Die Endgeschwindigkeit hängt also neben der Schubkraft / Beschleunigung nur von der Laufzeit des Antriebs ab. Die Laufzeit wiederum hängt von der mitgeführten Treibstoffmenge und dem Treibstoffverbrauch ab.

Wenn der Antrieb mit einem Bussard-Kollektor ausgestattet wird und permanent Treibstoff nachgefüllt wird, kann der Antrieb (auf niedrigem Schubniveau) endlos lange laufen und man kann eine beliebig große Endgeschwindigkeit bezogen auf % von Lichtgeschwindigkeit erreichen.

Praktisch gesehen muss, wenn man nicht nur simple Vorbeiflüge haben will, die Geschwindigkeit am Zielpunkt wieder abgebaut werden. Das bedeutet, dass man praktisch gesehen nur 50% der Flugstrecke zur Beschleunigung hat und die restlichen 50% zur Gegenbeschleunigung aufgewendet werden müssen.

Ich denke, dass wir Sonden mit Treibstoffsammelvorrichtung praktisch auf 99,9% der Lichtgeschwindigkeit bekommen können, nur eben über extrem lange Zeiträume, da die interstellare Materiedichte nicht so üppig ist.

Es wurde nach Konzepten gefragt die mit Geld in den nächsten 50 Jahren verwirklicht werden könnten.

Von einem Bussard Stauschaufel Raumschiff sind wir so weit entfernt wie Thomas Eddinson von dem IPod. Hast du dir die Dimensionen die so ein Teil haben muss mal vor Augen geführt. Immerhin könnte man mit dem Ding bei 1G Beschleunigung innerhalb der Lebenszeit der Besatzung jeden Punkt des bekannten Universums erreichen.

TP

[McWire]

Es wurde nach Konzepten gefragt die mit Geld in den nächsten 50 Jahren verwirklicht werden könnten.

Von einem Bussard Stauschaufel Raumschiff sind wir so weit entfernt wie Thomas Eddinson von dem IPod. Hast du dir die Dimensionen die so ein Teil haben muss mal vor Augen geführt. Immerhin könnte man mit dem Ding bei 1G Beschleunigung innerhalb der Lebenszeit der Besatzung jeden Punkt des bekannten Universums erreichen.

TP

Man muss ja nicht unbedingt einen materiellen Trichter o.ä. verwenden. Es würde auch ein starkes und weit ausgedehntes Magnetfeld reichen. Allerdings würde der Kollektor wohl nicht den Energiebedarf dieses Systems decken, es sei denn, man fliegt regelmäßig durch interstellare Materiewolken.. sprich galaktische Nebel.

Ich gehe davon aus, dass man innerhalb der 50 Jahre einen Bussard-Kollektor konstruieren und bauen kann.

[tepe]

Man muss ja nicht unbedingt einen materiellen Trichter o.ä. verwenden. Es würde auch ein starkes und weit ausgedehntes Magnetfeld reichen. Allerdings würde der Kollektor wohl nicht den Energiebedarf dieses Systems decken, es sei denn, man fliegt regelmäßig durch interstellare Materiewolken.. sprich galaktische Nebel.

Ich gehe davon aus, dass man innerhalb der 50 Jahre einen Bussard-Kollektor konstruieren und bauen kann.

Da verschätzt du Dich aber gewaltig, wir haben in 50 Jahren vielleicht wenn wir Glück haben die Kernfusion, aber sind lange noch nicht so weit diese mit normalen Wasserstoff hin zu bekommen - das müssen wir aber wenn wir das interstellare Gas nutzen wollen.

TP

[Bynaus]

Soviel ich weiss, ist das lokale interstellare Gas ohnehin zu dünn für funktionierende Ramjets. Die Reibung (bzw die Abbremsung des Schiffs durch das Einfangen der Ionen) überwiegt den realisierbaren Schub deutlich.

Eine mögliche Alternative zum Ramjet besteht darin, den Treibstoff von der Erde aus dem Raumschiff vorauszuschicken. Das könnte eine einfache Maglev-Kanone besorgen. Die vorausfliegenden Treibstoffpellets werden dann vom Raumschiff eingefangen, während es beschleunigt. So bleibt der Treibstoffanteil am gesamten Raumschiff gering, aber natürlich ist es dann total vom Funktionieren der Maglev-Kanone abhängig.

[McWire]

Da verschätzt du Dich aber gewaltig, wir haben in 50 Jahren vielleicht wenn wir Glück haben die Kernfusion, aber sind lange noch nicht so weit diese mit normalen Wasserstoff hin zu bekommen - das müssen wir aber wenn wir das interstellare Gas nutzen wollen.

TP

Ich rede da auch nicht nur von Kernfusion. Für beispielsweise eine langlebige Energiequelle braucht einen Ionenantrieb auch Impulsübertragungsmaterial für den Ausstoß. Dies könnte man unterwegs einsammeln und eben beschleunigt ausstoßen. Allerdings hängt dann die Endgeschwindigkeit von der Lebensdauer der Energiequelle ab. Eine Alternative wären Solarsegel, sodass man den Kurs für Beschleunigungsphasen an helleren Sternen vorbeiführen müsste.

Da fällt mir eine andere Idee ein. Man könnte ja einen Flugkörper in einer Spiralbahn um die Sonne beschleunigen und dabei mit Solarzellen die Energie der Sonne nutzen. Ist halt nur die Frage, wie große die Geschwindigkeit wird, bevor die Sonde den kritischen Abstand zur Sonne überschreitet, an dem die Solarzellen nicht mehr genügend Energie für das Ionentriebwerk liefern.

Oder was auch im Bereich des grundsätzlich möglichen liegt, dass man mit konventionellen Raketen Baumaterial für eine Große Raumstation im Merkur-Co-Orbit errichtet, welche ein riesiges Energieübertragungssystem besitzt. Dort wird dann aus unzähligen Spiegeln und Linsen die eingefangene Sonnenstrahlung zu einem Strahl gebündelt, der dann als Beschleunigungsantrieb für kleine Raumsonden mit Spiegelaufsatz dient.

Ich denke vom Prinzip verfügen wir über die nötige Technik, ist nur die Frage, ob wir die dahinter liegende Logistik auf die Reihe bekommen.

Dann hätten wir aber sozusagen eine Sondenkanone auf Lichtbasis. Bei genügend starker Bündelung sollte der Antriebseffekt noch in der Neptun-Bahn bemerkbar sein. Ich denke 10% der Lichtgeschwindigkeit sind damit effektiv möglich, vielleicht sogar mehr.

Wäre aber natürlich *Bynaus anschau* auch eine supertolle Laserkanone um die Erde zu rösten.
Andererseits kann so eine Energieübertragungsvorrichtung auch Raumstationen und Kolonien auf den kalten Monden der Gasriesen versorgen. Man könnte damit sogar die Eiskappen des Mars verdampfen und einen künstlichen Treibhauseffekt erzeugen.


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EDIT (autom. Beitragszusammenführung) :
McWire schrieb nach 11 Minuten und 40 Sekunden:

Soviel ich weiss, ist das lokale interstellare Gas ohnehin zu dünn für funktionierende Ramjets.

Interstellare Materiedichte liegt bei 10 Teilchen pro cm³, also 10 Millionen Teilchen pro Kubikmeter.

Wenn 99% davon Wasserstoff sind und 1% Helium oder schwerer, hat man also etwa 2*10^^-27 kg/Teilchen * 10^7 Teilchen / m³ = 2*10^-20 kg / m³.

Bei einer Anfangsgeschwindigkeit von 1000 km/s und einer angenommenen fiktiven Kollektoreinfangfläche von 1 km², durchfliegt der Kollektor 1.000 km³ oder 10^^12 m³ pro Sekunde.

Damit würde der Kollektor 2*10^-8 kg pro Sekunde bzw. 0,02 mg pro Sekunde einsammeln.
An einem Tag sind das immerhin etwas über 1,7 Gramm und pro Jahr 630 Gramm.

Könnte man die Masse irgendwann mal zu fast 100% in Energie umwandeln, hätte man immerhin eine Energiequelle von über einem Gigawatt.

Das ist aber ferne Zukunftsmusik. Wenn man die Kollektorfläche auf 10 km² erhöht, hat man immerhin über 10 GW. Das mag für Scifi-Verhältnisse niedliche Zahl sein, aber für einen realen Antrieb verdammt viel Energie. Mit steigender Geschwindigkeit würde der Effekt noch erheblich zunehmen und bei fast Lichtgeschwindigkeit hat an noch mal die 299-fache Energieausbeute, also fast 3 Terawatt.

[Pyromancer]

Wäre aber natürlich *Bynaus anschau* auch eine supertolle Laserkanone um die Erde zu rösten.

"Die Effizienz eines interstellaren Antriebs-Systems ist proportional zu seiner Effizienz als Waffe." Um die Kzinti-Lektion kommen wir nicht drumrum.

[Sargon]

Danke für die AW's.

Aber so richtig, weiß ich ich jetzt immer noch nicht, was ich wissen will. Ich habe inzwischen viel herumgegoogelt; aber auch im Netz nur jede Menge widersprüchliche Infos gefunden.

Hier steht zb. dass 10% der Lichtgeschwindigkeit mit einem Kernfusions - antrieb möglich sind.

Erkenntnishorizont

Irgendwo anders hab ich was von 20 % gelesen. Und irgendwo waren es sogar 50%.

Ähnlich war es auch bei anderen Angaben. Ist halt im Internet so eine Sache, zweifelsfrei richtig Informationen zu finden.

Also was ich jetzt wirklich wissen will:

1. Sind 0.5 c möglich? Wenn ja mit welchem Antrieb? Wäre das mit einem Kernfusionsantriebe noch machbar? Oder muss es schon ein Photonenantrieb auf Antimaterie/Materie Basis sein? Wäre das Treibstoff/Nutzlast Verhältnis noch akzeptabel?

2. Ist mehr in einem Photonenantrieb mehr drin? 0.8 c, oder 0.9 c oder noch mehr? Wo liegt da die Grenze, wo aufgrund des Massezuwachses jeder weiterer Energieaufwand sinnlos wird?

[Pyromancer]

Also was ich jetzt wirklich wissen will:

1. Sind 0.5 c möglich? Wenn ja mit welchem Antrieb? Wäre das mit einem Kernfusionsantriebe noch machbar? Oder muss es schon ein Photonenantrieb auf Antimaterie/Materie Basis sein? Wäre das Treibstoff/Nutzlast Verhältnis noch akzeptabel?

2. Ist mehr in einem Photonenantrieb mehr drin? 0.8 c, oder 0.9 c oder noch mehr? Wo liegt da die Grenze, wo aufgrund des Massezuwachses jeder weiterer Energieaufwand sinnlos wird?

Es gibt keine theoretische Grenze. Wenn du das Nutzlast/Treibstoff-Verhältnis immer schlechter machst, dann kannst du die Geschwindigkeit immer größer machen.
Wo genau es sinnlos wird musst du schon selbst entscheiden.

[Bynaus]

Wenn 99% davon Wasserstoff sind und 1% Helium oder schwerer

Primordial, dh, aus dem Urknall, sind es 8% He, weniger bekommst du im gesamten Universum nicht hin, es sei denn, du zerstörst bevorzugt das He... Nicht, dass es einen Unterschied machen würde...

Könnte man die Masse irgendwann mal zu fast 100% in Energie umwandeln, hätte man immerhin eine Energiequelle von über einem Gigawatt.

Kannst du aber nicht. Fusion bringt dir höchstens ein paar %. Zudem müsstest du jetzt noch den Widerstand berechnen, den das Einfangen der Teilchen verursacht. Das ist nicht zu verachten. Schau dir mal den englischen Wikipedia-Eintrag zum Bussard Ramjet an, da stehen konkretere Zahlen.

"Die Effizienz eines interstellaren Antriebs-Systems ist proportional zu seiner Effizienz als Waffe." Um die Kzinti-Lektion kommen wir nicht drumrum.

Sehr gut, meine jungen Padawan...

Sind 0.5 c möglich? Wenn ja mit welchem Antrieb?

Alles eine Frage des Nutzlastanteils. Je kleiner die Nutzlast relativ zum Treibstoff, desto höher die erreichbare Geschwindigkeit. Ausserdem spielt die Effizienz (ausgedrückt in "Sekunden": ein Space Shuttle Triebwerk hat ca. 450 s, ein nuklearer Antrieb kommt auf 1000 s, ein Ionenantrieb auf 10000 s, ein Nuklearpulsantrieb auf bis zu 100000 s). Je effizienter der Antrieb, desto weniger Treibstoff wird für die gleiche Schubleistung benötigt. Wenn du das Raumschiff und seine Tanks beliebig gross bauen kannst, kannst du auch jede beliebige %-Zahl der Lichtgeschwindigkeit erreichen - im Prinzip auch mit jedem Antrieb. Die Frage ist bloss, ob das ökonomisch machbar und sinnvoll ist. Und so sucht man halt nach Möglichkeiten, um mit möglichst wenig Treibstoffmasse möglichst viel Geschwindigkeit herauszuholen. Am besten fährt man mit möglichst effizienten Antrieben, und indem man möglichst viel der Schubleistung "externalisiert", eben z.B. auf den angesprochenen Laser überträgt.

[McWire]

Primordial, dh, aus dem Urknall, sind es 8% He, weniger bekommst du im gesamten Universum nicht hin, es sei denn, du zerstörst bevorzugt das He... Nicht, dass es einen Unterschied machen würde...

Damit würde man unterm Strich sogar noch auf eine größere Materiedichte bezogen auf kg/m³ kommen.

Kannst du aber nicht. Fusion bringt dir höchstens ein paar %. Zudem müsstest du jetzt noch den Widerstand berechnen, den das Einfangen der Teilchen verursacht. Das ist nicht zu verachten. Schau dir mal den englischen Wikipedia-Eintrag zum Bussard Ramjet an, da stehen konkretere Zahlen.

Im meinte hier auch einen hypothetischen Hawking-Strahlungs-Reaktor mit einer Singularität. Nicht das wir das in 50 Jahren schaffen würden, aber als fiktives Zukunftsszenario wohl im Bereich der Hard-SF.

Der Reibungswiderstand ist laut Wiki-Bereichnung (die nur relativ wenig von meiner abweicht was die Materiedichte angeht) nur ein kleiner Bruchteil der zu erwarteten Schubkraft.

[Sargon]

Alles eine Frage des Nutzlastanteils. Je kleiner die Nutzlast relativ zum Treibstoff, desto höher die erreichbare Geschwindigkeit. Ausserdem spielt die Effizienz (ausgedrückt in "Sekunden": ein Space Shuttle Triebwerk hat ca. 450 s, ein nuklearer Antrieb kommt auf 1000 s, ein Ionenantrieb auf 10000 s, ein Nuklearpulsantrieb auf bis zu 100000 s). Je effizienter der Antrieb, desto weniger Treibstoff wird für die gleiche Schubleistung benötigt. Wenn du das Raumschiff und seine Tanks beliebig gross bauen kannst, kannst du auch jede beliebige %-Zahl der Lichtgeschwindigkeit erreichen - im Prinzip auch mit jedem Antrieb. Die Frage ist bloss, ob das ökonomisch machbar und sinnvoll ist. Und so sucht man halt nach Möglichkeiten, um mit möglichst wenig Treibstoffmasse möglichst viel Geschwindigkeit herauszuholen. Am besten fährt man mit möglichst effizienten Antrieben, und indem man möglichst viel der Schubleistung "externalisiert", eben z.B. auf den angesprochenen Laser überträgt.

Bei einem Kerfusionsantrieb liegt die Ausströmgeschwindigkeit bei 5% der Lichtgeschwindigkeit. Wenn ich das hier richtig gedeutet habe:

Erkenntnishorizont

Ist das Treibstoff/Nutzverhältnis ungefähr 53 zu 1. 10 000kg Leermasse zu 535.985 kg.

Wenn man sich mit 10% c begnügt.

Sieht also so aus, als ob vernünftige Geschwindigkeiten nur mit einem auf Antimaterie/Materie basierenden Photonenantrieb erreichbar wären.

Sorry. Da stehen zwar etliche Formeln. Aber ich bin doch schon eine Weile aus der Schule raus; und soviel Mathe brauche ich im Alltag auch nicht.

Deshalb: Kann's mir einer bitte schnell beantworten:

Welche Ausmaße müsste so ein Schiffchen haben; damit es 6 - 10 Menschen zum Alpha Centauri ( und natürlich auch wieder zurück) transportieren könnte? Wieviel Nutzlast wäre überhaupt erforderlich?

Warum ich's so genau wissen will? Ich versuche ein wenig wissenschaftlich halbwegs korrekte SF zu schreiben.

Deshalb ist es mir auch so wichtig, die optimale Geschwindigkeit zu kennen. Die Geschwindigkeit, bei der Aufwand ( Treibstoffeinsatz ) und Nutzen ( Reisegeschwindigkeit ) in dem ökonomischsten Verhältnis zueinander stehen.

0.5 C ? oder doch 0.9 c ? Weniger als 50% der Lichtgeschwindigkeit sollte es aber nicht sein. Besser mehr.

Ich sehe auch keinerlei Schwierigkeiten mit der Kzinti-Lektion. Wenn die ganze Menschheit über Jahre riesige Ressourcen in den Bau dieses Schiffes steckt; dann werden sie ja wohl kaum eine Crew auswählen, die es dann als Waffe gegen die Erde einsetzt. Und sie werden es vermutlich auch gut bewachen.

PS: Bei der Story, gebe ich mir auch mehr Mühe mit der Ortographie.

[Pyromancer]

Welche Ausmaße müsste so ein Schiffchen haben; damit es 6 - 10 Menschen zum Alpha Centauri ( und natürlich auch wieder zurück) transportieren könnte? Wieviel Nutzlast wäre überhaupt erforderlich?

Das kommt ja ganz darauf an, wie schnell man fliegt. Für vier Wochen Eigenzeit kann man kleiner bauen und muss weniger Vorräte mitnehmen als wenn man 60 Jahre unterwegs sein wird.

Deshalb ist es mir auch so wichtig, die optimale Geschwindigkeit zu kennen. Die Geschwindigkeit, bei der Aufwand ( Treibstoffeinsatz ) und Nutzen ( Reisegeschwindigkeit ) in dem ökonomischsten Verhältnis zueinander stehen.

Ökonomisch? Was soll denn der Nutzen dieser Reise überhaupt sein?
Spontan hätte ich gesagt: Man fliegt so langsam, wie man es sich erlauben kann, und nimmt dafür möglichst viel Krempel (aka Nutzlast) mit. Wenn du 0.5c als willkürliche Untergrenze festsetzt, dann ist es eben genau das.