Es sind teilweise dieselben Probleme wie beim Startproblem. Wenn Sie mehr Treibstoff in die Treibstofftanks der Raketen einfüllen, erhöhen Sie die Masse. Um diesen Kraftstoff anzuheben, müssen Sie etwas mehr Kraftstoff hinzufügen, um diesen Kraftstoff anzuheben, und so weiter und so fort.

Ein ähnliches Problem besteht beim aktuellen Antriebssystem der Sonden, aber bevor ich darauf eingehe Ich werde (sehr kurz) das Reisen im Weltraum erklären, damit wir das Problem verstehen können.

Reisen im Weltraum (vorausgesetzt, wir reisen in einer geraden Linie)

Reisen im Weltraum sind nicht dasselbe wie Reisen an Land. Reisen an Land erfordern das ständige Verbrennen von Kraftstoff, um die durch Reibung, Luftwiderstand usw. verlorene Geschwindigkeit ersetzen zu können.

Reisen im Weltraum funktionieren nicht auf die gleiche Weise, es ist keine Konstante erforderlich Beim Brennen müssen Sie genug Kraftstoff verbrennen, um die Masse auf diese Anfangsgeschwindigkeit zu bringen, und dann genug, um rückwärts zu brennen und sich am Ziel zu verlangsamen.

(Das ist nicht halb und halb, es erfordert mehr verbrannten Kraftstoff zum Beschleunigen als zum Verlangsamen, da der verlangsamte Teil weniger Masse hat, weil wir den verlorenen Kraftstoff, der zum Beschleunigen im ersten Teil verbrannt wird, diskontieren können Ort.)

Zurück zum Problem

Ok, damit wir einfach mehr Kraftstoff zu den Sonden hinzufügen können, aber dann wir Wenn Sie auf das gleiche Problem wie beim Start stoßen, wird durch Hinzufügen von zusätzlichem Kraftstoff zusätzliche Masse hinzugefügt, für deren Verbrennung zusätzlicher Kraftstoff erforderlich ist, um die erhöhte Masse auf die von uns gewünschten Geschwindigkeiten zu bringen.

Also wirklich was Wir wollen eine andere Antriebsmethode als den bestehenden flüssigen und festen Prozess.

Wie Sie hier sehen können, hat die NASA bereits einige alternative Ideen, die sie für den Antrieb ausprobieren möchten. Ich werde sie unten kurz behandeln, falls der Link stirbt.

Kernwärmeantrieb

Kernwärmeantrieb - Erhitzt eine Flüssigkeit, normalerweise Wasserstoff, in einem Hochtemperaturkern Reaktor, der Schub erzeugt, um die Rakete im Weltraum zu bewegen

Die NASA erwartet, dass diese Art von Antriebssystem viel leichter und effizienter ist, um Schiffe im Weltraum anzutreiben.

Jeder Silberstreifen hat jedoch eine Wolke, und dies ist keine Ausnahme. Was uns derzeit bei der Verwendung dieses Systems im Wege steht, ist die extreme Schwierigkeit, Wasserstoff in flüssiger Form zu halten.

Wie Sie hier sehen können, muss Wasserstoff bei 20 Kelvin gehalten werden, um in flüssiger Form zu bleiben. Dies bringt viele technische Herausforderungen mit sich, zuerst um die Temperatur auf ein solches Niveau zu senken, dann wieder, wenn versucht wird, zu verhindern, dass sich der flüssige Kraftstoff von den hohen Temperaturen des Abgases erwärmt!

Und täuschen Sie sich nicht, Die technischen Probleme bei der Verwendung von flüssigem Wasserstoff liegen nicht im Mangel an Versuchen. Tatsächlich gibt es die Idee, flüssigen Wasserstoff als Kraftstoff zu verwenden, seit mindestens den 1950er Jahren!

Antrieb auf Plasmabasis

Die NASA untersucht auch ein plasmabasiertes Antriebssystem namens Projekt VASIMR.

Die Idee ist, einen Kernreaktor (wieder) und Wasserstoff (wieder) zu verwenden, um Wasserstoff und Explosion zu ionisieren Dies geschieht natürlich durch eine magnetische Düse.

Natürlich ist dies eine sehr technische Herausforderung, aber es gibt auch das Problem, dass das Plasma von der Hardware des Schiffes magnetisch abgeschirmt werden muss, oder es verursacht Elektrodenerosion in den Motoren selbst.

(Entschuldigen Sie meine mangelnden Kenntnisse der Physik darüber, wie dieses Bit tatsächlich funktioniert.)

Ganz zu schweigen davon, dass Sie auch Energie benötigen würden, um die Kernreaktoren in jedem Design anzutreiben.

Fazit

Wir verwenden also wirklich Antriebssysteme auf chemischer Basis, da die Alternativen technologisch teuer und schwierig sind. Wir werden uns bemühen, die chemischen Antriebssysteme aufgrund des sich vermehrenden Kraftstoffproblems stärker anzutreiben (es sei denn, wir finden effizientere Kraftstoffe). Aber das größte Problem ist nicht so sehr der Antrieb, sondern die Entfernung!

Zum Beispiel umkreist uns die Raumstation derzeit mit ungefähr 18.000 Meilen pro Stunde und umkreist die Erde alle 90 Minuten.

Das Apollo-Raumschiff, das zum Mond flog, bewegte sich schneller als das, mit 24.000 Meilen pro Stunde. Diese Geschwindigkeit ist für Reisen auf der Erde unvorstellbar und hunderte Male schneller als jeder Jet.

Mein Argument beruht also wirklich auf diesen Punkten, dem Kraftstoffproblem, dem Mangel an einfachen Alternativen, den Kraftstoffkosten und der Entfernung.

Im Moment besteht die Hauptgrenze darin, dass wir keine Reaktionsantriebe verwenden, was bedeutet, dass Sie Treibstoffmasse aufwenden müssen, um das Raumschiff zu beschleunigen. Ihr Gesamt-ΔV (Geschwindigkeitsänderung) ist also durch die Menge an Treibmittel, die Sie transportieren können, und den Wirkungsgrad Ihrer Triebwerke begrenzt, wie in der Tsiolkovsky-Raketengleichung

$$ \ Delta V = 9,8 * I_ {angegeben SP} * ln (MR) $$

wobei MR das Massenverhältnis

$$ MR = {M_ {Raumschiff} + M_ {Treibmittel} \ über M_ {Raumschiff}} ist $$

Das unbemannte Raumschiff Dawn verwendet eine Ionen-Engine mit einem bestimmten Impuls (I _{sp sub>) von 3100 Sekunden. Dies ist derzeit die effizienteste Engine, die mir bekannt ist . Wenn das Raumfahrzeug seine eigene Treibstoffmasse trägt ($ M_ {Raumfahrzeug} = M_ {Treibmittel} $, für einen MR von 2), bedeutet dies, dass wir ein Gesamt-ΔV von ~ 21057 m / s erhalten können. Schnell, aber nicht interstellar schnell reisen. Wenn das Raumschiff das 9-fache seiner Treibstoffmasse trägt (MR = 10), können wir bis zu ~ 69953 m / s erreichen. Besser, aber immer noch nicht gut genug für den interstellaren Flug. Damit ein Dawn-ähnliches Raumschiff 0,01 c (~ 3.000.000 m / s) erreicht, benötigen wir ein Massenverhältnis in der Größenordnung von 5,0 * 10 ^ {41} $. ^{1 sup>}}

Es gibt eine praktische Obergrenze dafür, wie viel Masse wir von der Erdoberfläche starten können, was die Menge an Treibmittel einschränkt, die wir mit dem Raumschiff senden können.

Es gibt zwei Möglichkeiten, um das Problem zu umgehen: Eine besteht darin, das Raumschiff mithilfe von EM-Strahlung gegen ein Segel zu beschleunigen. Es gibt ein Projekt namens Breakthrough Starshot, bei dem eine bodengestützte Bank von Terawattlasern verwendet werden soll, um ein Raumschiff im Gramm-Maßstab auf 0,2 c (59958491 m / s) in der Welt zu beschleunigen Raum von etwa 10 Minuten. Es gab auch zahlreiche Ideen, ein Segel mit dem Sonnenwind von der Sonne zu verwenden.

Das andere besteht darin, ein echtes reaktionsloses Laufwerk (wie das Alcubierre-Laufwerk oder das EmDrive) zu erstellen, das eine Reihe von Problemen aufweist (nicht zuletzt wie Sie umgehen die Impulserhaltung und ähnliche Dinge.

Einfach ausgedrückt: Kraftstoff- und Antriebseffizienz.

Abhängig von der Kraftstoffmenge an Bord und der Effizienz des Antriebs bei der Umwandlung dieses Kraftstoffs in eine Vektoränderung ist eine maximale Menge an Vektoränderungen möglich.

Um für eine bestimmte Zeit zu beschleunigen (was ein Synonym für Vektoränderung ist), ist eine festgelegte Kraftstoffmenge erforderlich. Der gesamte Treibstoff muss an Bord sein, und es gibt keine Möglichkeit, im Flug effektiv zu tanken.

Der Kraftstoff und die Antriebseffizienz ergeben zusammen einen maximalen Gesamtvektor.

Und der Gesamtvektor ist ein Synonym für Geschwindigkeit.

Es ist begrenzt, wie leistungsfähig und dicht wir Laser herstellen können. Ein Lasersegelkonzept umgeht die Probleme des Treibmittels und der Raketengleichung und verspricht so die höchsten erreichbaren Geschwindigkeiten. Natürlich wäre es nicht einfach.

Das Delta-V, das ein Raumfahrzeug erreichen kann, hängt von der Raketengleichung ab. Es kommt auf den Anteil der Gesamtmasse an, die als Treibmittel ausgestoßen werden kann, und auf die Geschwindigkeit dieser ausgestoßenen Masse. Die Geschwindigkeit der ausgestoßenen Masse hängt von der Menge der gespeicherten Energie ab, die in kinetische Energie umgewandelt werden kann. Chemische Raketen haben nur so viel chemische Energie in den Reaktanten (die auch die Treibstoffmasse sind), die bestimmt die Grenzgeschwindigkeit des ausgestoßenen Treibmittels, die dem erreichbaren Delta-V des Fahrzeugs eine Obergrenze auferlegt.

Das Umschalten auf einen anderen Antriebstyp, bei dem die Treibmittelmasse mit einer viel höheren Geschwindigkeit ausgestoßen wird, kann theoretisch erfolgen einem Fahrzeug erlauben, viel höhere Geschwindigkeiten zu erreichen. Natürlich setzt es die Verfügbarkeit einer Energiequelle voraus, die viel mehr nutzbare Energie pro Einheit Brennstoffmasse speichern kann - wie z. B. Kernkraft - und wirft die Frage auf, wie das Treibmittel beschleunigt werden kann.

VASIMIR ist ein Beispiel für eine Schubtechnologie, bei der das Abgas mit einer weitaus höheren Geschwindigkeit ausgestoßen wird, als dies mit chemischen Treibmitteln möglich ist. Es ist möglicherweise nicht die Technologie, eine interstellare Sonde anzutreiben (mehrere Faktoren scheinen das Delta-V zu begrenzen, das sie auf ein Raumschiff anwenden könnte), aber eine andere Technologie, die darauf abzielt, dasselbe zu tun (sehr schnelles Abgas), könnte dies tun.

Bis zu einem gewissen Grad kommt es auf das Geld an - die Erforschung und Entwicklung neuer Antriebstechnologien zu finanzieren. Es kommt aber auch auf die Grundphysik an.

Im Allgemeinen wirft eine Reaktionsmaschine Energie aus dem Rücken, um sich nach vorne zu bewegen. Laut der Physik der High School beträgt die Energie, die wir zum Werfen eines Massenstücks (in unserem Fall Treibmittel) erhalten,

$$ Ke = {MV ^ 2 \ over 2} $$

Je schneller wir die Masse wegwerfen, desto mehr Energie pro Masseneinheit erhalten wir. In der Raketentechnik wird dies als Abgasgeschwindigkeit ($ Ve $) bezeichnet, wobei eine abgeleitete Größe als spezifischer Impuls ($ Isp $) bezeichnet wird. Höhere Geschwindigkeiten bedeuten eine bessere Effizienz bis zur absoluten Maximalgeschwindigkeit von $ c $. An diesem Punkt bricht die Mathematik der High School zusammen und die Gleichung sieht eher aus wie $$ Ke = {MC ^ 2 \ over sqrt (1- (V. / C) ^ 2)} - MC ^ 2 $$ Beachten Sie, wie ich Energie anstelle von Masse sagte. Photonen bewegen sich mit der absoluten Maximalgeschwindigkeit, die das Universum zulässt und sind daher das perfekte Treibmittel für eine Rakete. Technisch gesehen ist eine einfache Taschenlampe die absolute Spitze der Raketentechnologie ... Abgesehen von einem winzigen Problem.

Während Photonen die maximal mögliche kinetische Energie pro Masseneinheit packen ( Wie Photonen kinetische Energie haben ohne Masse zu haben ist mir ein Rätsel, aber sie tun es. Nennen wir es der Einfachheit halber Masse ), ihre Masse ist unermesslich klein. Ihre Taschenlampe ist vielleicht der absolute Höhepunkt von Effizienz , aber ihr tatsächlicher Schub ist praktisch nichts. Es würde Jahre dauern, bis Sie bemerken, dass sich Ihre Taschenlampe überhaupt bewegt hat, was uns zu einem anderen Problem führt.

Während es Jahre dauern würde, bis sich Ihre Taschenlampenrakete in Bewegung setzt, würden die Batterien nur Stunden brauchen sterben. Um unserer Photonenrakete die Lebensdauer und Kraft zu geben, um überhaupt etwas zu tun, müssten wir ein kleines Kernkraftwerk verwenden, um sie zu befeuern. Mit all dieser zusätzlichen Masse wird unsere ohnehin winzige Beschleunigung durch Hunderte Tonnen Reaktor gequetscht.

Technologien wie Ionenantriebe und VASMIR unterliegen ähnlichen Einschränkungen. Um genügend Energie in ihre Reaktionsmasse einzubringen, um effizient zu sein, müssen sie den Treibmittelfluss auf ein winziges Rinnsal reduzieren, was bedeuten könnte, dass sie einen sehr, sehr geringen Schub haben . Darüber hinaus benötigen sie auch große Mengen an elektrischem Strom, was bedeutet, dass sie vor dem gleichen Problem stehen wie unsere Taschenlampenrakete mit Atomantrieb.

In Anbetracht all dessen wäre der heilige Gral der Raketentechnik ein Motor mit hohem Schub und hohem Wirkungsgrad. Es gibt nur wenige derzeit theoretische Kandidaten für den Titel, wie das Zurbin NSWR oder das Project Orion. Die meisten, wenn nicht alle von ihnen haben einige ziemlich schwerwiegende Nachteile, und da einer von ihnen den Einsatz von Atomwaffen zum Antrieb beinhaltet, ist es unwahrscheinlich, dass sie bald finanziert werden.