Autobahn in den Weltraum (HH)
Bisher könnte die Menschheit kleine Gruppen ins All bringen. Um im All zu siedeln, sind die bisherigen Transportmöglichkeiten die Engstelle. Zu wenig Transportkapazität zu exorbitanten Kosten. Erst wenn Wege geschaffen sind, läßt sich der Weltraum besiedeln. Anhand folgender Fragen lassen sich Lösungswege finden; Was deutet darauf hin, dass das Besiedeln des Weltraumes für viele eine erstrebenswerte Vision ist? Wo liegen die Gründe für die geringe Transportkapazität? Wie kann hier, mit Aussicht auf Erfolg, erreicht werden, dass eine Weltraumfahrt so leicht und billig geht wie ein Interkontinentalflug?
Zum Raketenproblem (jcl)
Zumindest die vorletzte Frage läßt sich relativ leicht beantworten. Zwar folgt aus der Speziellen Relativitätstheorie, dass man auch mit Unterlichtgeschwindigkeit ziemlich schnell vorankommt. Ein Raumschiff, das auf der ersten Hälfte seiner Reise kontinuierlich mit 1 g beschleunigt und auf der zweiten Hälfte mit 1 g abbremst, kann in 30 Jahren Schiffszeit den Andromedanebel erreichen. Denn sobald das Raumschiff einen merklichen Bruchteil der Lichtgeschwindigkeit erreicht - und das ist bei einer 1-g-Beschleunigung schon nach ein paar Monaten der Fall - verkürzt die relativistische Längenkontraktion die Reisestrecke in Fahrtrichtung. Je höher die Geschwindigkeit, desto kleiner wird die Entfernung zum Ziel. Von der Erde aus betrachtet verlangsamt sich hingegen die Schiffszeit aufgrund der Zeitdilatation. Beides hat den Effekt, die subjektive Reisezeit im Raumschiff stark zu verringern. Trotz der Begrenzung auf die Lichtgeschwindigkeit behindert die Relativitätstheorie also interstellare Reisen keinesweg - ganz im Gegenteil.
Das Problem hingegen liegt im Treibstoffbedarf. Zum Beschleunigen und Abbremsen eines relativ kleinen, nur 100 Tonnen schweren Raumschiffs komme ich auf 400 Billionen Tonnen Treibstoffverbrauch für eine Reise zum Andromedanebel. Dabei soll dieses hypothetische Schiff keineswegs über chemische Raketenmotoren verfügen, sondern den effektivsten Antrieb besitzen, der überhaupt denkbar ist, nämlich einen Antimaterie-Photonenantrieb.
Die Raketenformel
Der Wirkungsgrad eines Raketenmotors wurde bereits 1903 von dem Raumfahrtpionier Konstantin Ziolkowski berechnet. Der Treibstoffbedarf pro Kilogramm Nutzlast hängt von der Ausströmgeschwindigkeit des Antriebsstrahls ab. Herkömmliche chemische Raketentriebwerke erreichen eine Ausströmgeschwindigkeit von etwa 5 Kilometern pro Sekunde - viel zu wenig für interstellare Reisen. Da die maximal mögliche Geschwindigkeit überhaupt die Lichtgeschwindigkeit ist, ist der effektivste denkbare Antrieb ein Photonentriebwerk, welches Lichtteilchen als Rückstoßmedium benutzt. Ein solches Triebwerk könnte etwa aus einem starken Laser für Röntgen- oder Gammastrahlung bestehen.
Zum Generieren der Lichtenergie soll unser Raumschiff Materie und Antimaterie direkt in Energie verwandeln. Trotz dieses hypothetischen Superantriebs mit 100% Wirkungsgrad müssen wir das Gewicht eines kleineren Mondes an Materie-Antimaterie-Treibstoff mitschleppen, um die nächste Galaxie zu erreichen. Dabei ist der Treibstoff für den Rückflug noch nicht einmal mit eingerechnet.
Den Löwenanteil an Treibstoff verbraucht das Beschleunigen der Treibstoffmasse, die man für die Bremsphase benötigt. Wenn wir auf das Abbremsen verzichten und unser Ziel fast mit Lichtgeschwindigkeit erreichen, brauchen wir “nur” 330 Millionen Tonnen Antimaterietreibstoff zum Andromedanebel.
Wie aber können wir unser Raumschiff am Ziel zum Halten bringen, ohne Treibstoff zum Abbremsen zu benutzen? Eine Möglichkeit wäre, als Bremsmanöver einfach mit dem Zielplaneten zusammen zu stoßen. Freilich würde ein Einschlag mit Beinahe-Lichtgeschwindigkeit eines durch relativistische Massenzunahme Millionen Tonnen schweren Raumschiffs weder dem Schiff noch dem Planeten gut bekommen. Auch bei einer außerirdischen Zivilisation, die wir etwa besuchen wollen, dürften solche Manöver zu erheblichen diplomatischen Verstimmungen beitragen.
Schwarze Löcher als Raketenbremse
Besser klingt die Idee, mit dem Zielplaneten nicht zu kollidieren, sondern in eine Umlaufbahn einzuschwenken und das Schiff durch Reibung mit der Atmosphäre allmählich abzubremsen. Allerdings benötigt man für die Umlaufbahn eines fast lichtschnellen Raumschiffs ein sehr starkes Schwerefeld, wie es nur in der Umgebung eines Schwarzen Loches vorkommt. Zudem darf es kein x-beliebiges Schwarzes Loch sein. Wir brauchen ein supermassives Objekt, um nicht Raumschiff und Leben durch “Spaghettisierung” zu verlieren.
Glücklicherweise gibt es in den Zentren fast aller Galaxien solche supermassiven Schwarzen Löcher, die wir - da sie in der Regel sogar über eine Art Atmosphäre in Form einer Gas-Akkretionsscheibe verfügen - für Bremsmanöver verwenden könnten. Durch geschicktes Navigieren lassen sie sich auch als ‘Gravitationsschleudern’ einsetzen, um unser Raumschiff ohne Treibstoffverbrauch weiter zu beschleunigen und in eine andere Richtung zu katapultieren. Auf diese Weise können wir, indem wir von Loch zu Loch ‘hüpfen’, eine Reihe von Galaxien nacheinander besuchen - ganz in der Tradition der ‘Enterprise’. Ein gewisser Nervenkitzel ist auch dabei. Denn wir können nie sicher sein, ob das Schwarze Loch in unserer Zielgalaxie auch wirklich zum Abbremsen geeignet ist. Insoweit ähnelt eine Raumreise ohne Bremstreibstoff ein wenig dem Sprung vom Zehnmeterbrett in unbekanntes Gewässer. Dennoch - Raumfahrer sind traditionell wagemutig. Vielleicht kreisen in den galaktischen Zentren bereits ganze Flotten von Raumschiffen verschiedener Zivilisationen, die die Schwarzen Löcher als Sprungbretter für ihre Abenteuer benutzen.
Der Unendlichkeits-Antrieb
Ein Nachteil des beschriebenen Antriebsprinzips soll nicht verschwiegen werden. Antimaterie lässt sich zwar in Form von Antiprotonen bereits heute in Teilchenbeschleunigern herstellen. Jedoch kann man auch mit den größten verfügbaren Beschleunigern nur einige Milliardstel Gramm pro Jahr produzieren. Zur Herstellung von Antimaterie im Tonnenbereich gibt es derzeit keine praktische Lösung. Andere Antriebsarten hingegen, etwa die Fusion von Deuterium und Helium 3 zu Helium 4, erfordern ein Vielfaches der oben angegebenen Treibstoffmenge.
Hinzu kommt das Abschirmproblem. Ein fast lichtschnelles Raumschiff erfährt eine starke Blauverschiebung der Objekte in Fahrtrichtung. Je nach Geschwindigkeit wird das Licht der Sterne und der kosmischen Hintergrundstrahlung vor dem Bug zuerst blau, dann ultraviolett und schließlich zu einer harten Röntgenstrahlung, die das Schiff bombardiert. Auch die Umgebung von Schwarzen Löchern ist eine Quelle tödlicher Strahlung. Interstellare Raumschiffe brauchen daher einen massiven Bleipanzer zur Abschirmung, der die Treibstoffrechnung weiter in die Höhe treibt.
Die beste Lösung wäre ein Raumschiff, das zum Beschleunigen oder Abbremsen keinerlei Treibstoff verbraucht. Dies würde dem Schiff eine theoretisch unendliche Reichweite verleihen. Die einfachste Möglichkeit ist die Trennung von Schiff und Antrieb. Wir könnten unseren Antriebslaser auf der Erde stationieren und den Laserstrahl auf einen Spiegel am Heck des Raumschiffs ausrichten, das dann allein vom Strahlungsdruck angetrieben wird.
Ist damit das Antriebsproblem gelöst? Leider nein. Zum einen lässt sich dieses Prinzip nicht zum Abbremsen verwenden - es sei denn, auf dem Zielplaneten wäre ein ebensolcher Laser installiert. Zum anderen erfährt der Laser vom Schiff aus eine Rotverschiebung. Je schneller das Schiff, desto geringer die vom Laser übertragene Energie und desto ineffektiver der Antrieb.
Der Physiker Robert Bussard schlug vor, den Treibstoff einfach dem Weltraum selbst zu entnehmen. Sogar der leere Raum zwischen den Galaxien enthält noch einige hundert Wasserstoffatome pro Kubikmeter. Nach Bussards Idee soll ein gewaltiges Magnetfeld am Schiffsbug diese Atome einsammeln. In einem Reaktor werden diese dann zu Helium verschmolzen und die gewonnene Energie zum Antrieb genutzt. Die Menge der eingesammelten Atome hängt von der Geschwindigkeit des Raumschiffs ab. Ein bisschen Treibstoff muss das Raumschiff daher selbst mitführen, um auf etwa zehn Prozent der Lichtgeschwindigkeit zu beschleunigen. Den Rest erledigt der Reaktor. Mit einem solchen Antrieb käme man ohne Auftanken von einem Ende des Hubble-Volumens zum anderen… und sogar noch weiter.
Auch bei diesem Unendlichkeits-Antrieb sind noch einige Problemchen zu lösen. Damit das Magnetfeld die Atome einsammeln kann, müssen diese elektrisch geladen sein. Das All enthält jedoch überwiegend ungeladene, neutrale Atome. Man könnte sie mit einem Laser am Schiffsbug elektrisch aufladen, was jedoch vermutlich mehr Energie kostet als die Verschmelzung einbringt. Damit die Verschmelzung überhaupt zustande kommt, müssen die Teilchen im Reaktor auf die Geschwindigkeit des Schiffs beschleunigt werden. Dabei wird das Schiff selbst abgebremst. Der Unendlichkeits-Antrieb ist also zum Bremsen wesentlich besser geeignet als zum Beschleunigen.
Vielleicht hat noch jemand weitere Ideen für energiesparende Raumschiffantriebe?
Kommentar (HH)
Für die Reise zu den anderen Sonnen im Weltraum sind die beschriebenen Raumschiffantriebe und voraussichtlich andere wichtig.
Vorausgesetzt, die Inbesitznahme und Nutzung des Weltraumes geht so vor sich, etappenweise, wie gleiche Vorgänge auf der Erde, dann werden wir mit interstellarer Raumfahrt zwischen den Jahren 2300 und 2500 beginnen.
Interplanetare Raumfahrt
Vor der interstellaren Raumfahrt steht aller Voraussicht nach die interplanetare Raumfahrt. Diese Raumfahrt muss erst mal beginnen. Im Moment beginnt diese Raumfahrt erst, durch die Kundschafter, die ausgesandt werden, den Raum zu erkunden. Seit über 80 Jahren arbeiten wir daran. Über die Testphase sind wir bisher kaum hinausgekommen. Raketentechnik für Sonden, Wettbewerbe (Mondlandung, Rüstungswettlauf), Raumstation zum ausprobieren des Lebens im Weltraum, Laborersuchen.
Mit der herkömmlichen Raketentechnik sind wir bisher in der Lage Leichtgewichte (Sonden Millionen von Kilometern) auf die interplanetare Reise zu schicken, dazu Leichtgewichte (Satelliten maximal 30.000 Kilometer) in erdnahe Umlaufbahnen einzusetzen, sowie Menschen (Raumstation in ca. 350 Kilometer) hochzubringen.
Die interplanetare Raumfahrt zur Inbesitznahme und Nutzung unseres Sonnensystems braucht dazu viel mehr.
Planeten und Monde besiedeln
Um die Planeten und Monde zu besiedeln braucht es Mittel wie bei der Besiedlung Amerikas. Geeignete Transportmittel wie Raketen, Katapulte und Aufzüge. Genügend Finanzmittel (mindestens 10x mehr von Staat und Wirtschaft) zur Beschaffung der nötigen Ressourcen.
Der Mars ist von der NASA als erstes Besiedlungsziel ausgewählt worden. Voraussichtlich drängt sich ein längerer und umfangreicher Siedlungstest in Erdnähe mit Dutzenden von Siedlern, d.h. auf dem Mond auf. Dazu der Aufbau eines Minen und Industriekomplexes zur Versorgung mit Rohstoffen für den Bau von Raumstationen und Raumschiffen. Allein dieser Test ist so aufwendig, dass Raketentransporte ihn nicht bewältigen können. Zum Vergleich: Für 3 Mann waren 1968 eine Saturnrakete nötig. Für einen Siedlungstest bräuchte man im Jahr 10-20. Aktuell genutzte Raketen haben etwa 1/10 der Saturnraketenmasse. 20-30 Raketenstarts gibt es pro Jahr. So bräuchte es nur für einen Siedlungstest ungefähr eine Verdoppelung der weltweiten Raketenkapazität.
Der Siedlungstest wird frühestens 2050 abgeschlossen. Noch mal eine Verdoppelung der weltweiten Raketenkapazität, um in den folgenden Jahrzehnten jedes Jahr mindestens ein oder mehrere Schiffe, mit Dutzenden Siedlern zum Errichten von Stützpunkten auf dem Mars. Zur Marsbesiedlung eine weitere Vervielfachung der weltweiten Raketenkapazität, um in den folgenden Jahrzehnten jedes Jahr mindestens ein oder mehrere Schiffe, 100 oder mehr Siedlern zum Errichten und Erweitern von Siedlungen auf den Planeten zu transportieren. Bis etwa dem Jahr 2100 kann sich die Transportkapazität zum Stand 2000 verzehnfachen. Das so nun immer weiter. Andere Planeten und Monde stehen zur Besiedlung bereit.
Wenn drei Personen eine Saturnrakete brauchen, wir aber Material in der Masse der Titanic hochhieven müssen, dann reichen uns 1000 Saturnraketen nicht. So wird das mit Raketen wohl nicht funktionieren.
Preiswerter Transport in den Weltraum ! ? !
Was fehlt, ist ein preiswerter Transport in den Weltraum. Ohne diesen kommt eine Ausweitung des Transportes von Menschen und Material in großem Maßstab nicht in Frage. Wird ein Massentransport in Zukunft möglich sein? Davon ist auszugehen. Auf Dauer eignen sich Raketen dafür nicht. Der Brennstoffverbrauch beim Entfliehen der irdischen Schwerkraft ist zu groß. Für den interplanetaren Verkehr dagegen ergeben sich durch die Möglichkeit Treibstoff sparender Antriebe weitere Möglichkeiten.
Jetzt ist eine Frage entscheidend! Wie kommen wir von der Erde weg? An drei Systemen wir derzeit gearbeitet. Das sind Raketen, Katapulte und Aufzüge.
Raketen sind Realität und werden fortlaufend verbessert.
Bei Katapultsystemen bietet sich an, Güter damit zu transportieren. Ob das für den Personentransport geeignet wird, steht auf einem anderen Blatt. Der Katapult arbeitet voraussichtlich mit Beschleunigungen, die für Menschen tödlich sind. Das Arbeiten auf dem Mond wird wohl noch erheblich einfacher, durch den Wegfall der Atmosphäre. Bei geringerer Schwerkraft und größerer Fliehgeschwindigkeit im Vergleich zum Aufwand, bietet es sich für den Mond an.
Auf der Erde eignet sich der Aufzug besser für den Transport von Menschen. Bis wir aber einen 30.000 km langen Aufzug realisieren können, bleibt einiges zu tun. Ab einer solchen Höhe kann man ins All hinausgleiten. Das gilt für einen 300 km langen Aufzug genauso. Es wird wohl daran gearbeitet, für die internationale Raumstation einen Aufzug zu entwickeln. Es wird Jahrzehnte dauern, bis technisch und finanziell sich ein großer Aufzug verwirklichen lässt. Erst, wenn wir in der Lage sind, preiswert in Orbits zu kommen und zurück, dann geht die Erschließung der solaren Welt automatisch.
Irgendwann werden wir Kontakt aufnehmen. Dann fällt uns das Beamen in den Schoß. Aber bis dahin …!
Nachtrag zum Weltraumaufzug (HH)
Gelänge es, ein Seil von der Erde 36.000 km tief in den Weltraum zu schießen, so würde es allein aufgrund der Fliehkraft stabil senkrecht stehen bleiben. An diesem Seil könnte ein Aufzug in den Weltraum fahren. Aufwändige und risikoreiche Raketensysteme gehörten somit der Vergangenheit an. Diese utopisch anmutende Idee wurde bereits vor rund 100 Jahren vom russischen Raumfahrtpionier Konstantin Zilkowski geäußert, scheiterte bisher jedoch an den zur Realisation benötigten Materialien, die extrem belastbar sein müssen. Neueste Entwicklungen auf diesem Gebiet lassen die Idee zwar weiterhin phantastisch, aber nicht mehr utopisch erscheinen. (Pressemitteilung von: Max-Born Berufskolleg Recklinghausen Archiv - Veröffentlicht auf openPR am 14.08.2006 um 15:32)
Hochinteressant ist nun:
“Schüler in Deutschland bauen einen Weltraumaufzug” (http://www.space-elevator.de.vu)
Weltweit nehmen 19 Teams an einem NASA-Konstruktionswettbewerb teil. (http://www.elevator2010.org/site/primer.html)
Dysonkugel mit Loch: eine Antriebsmöglichkeit? (GH)
Angenommen, es gelänge eine irgendwie geartete Hülle um die Sonne und einige ihrer Planeten herumzubauen und dann an einer Seite ein Loch offen zu lassen: würde dieses Gebilde nicht wie ein Raketenantrieb funktionieren? Welche Beschleunigungen könnte man erreichen? Könnte man damit das Schwerefeld unserer Galaxis verlassen?
Interstellare Reisen mit Higgsfeldgenerator (KK)
Ich weiß nicht mehr genau, wo ich das gelesen habe, aber da war beschrieben, wie Teilchen, also auch die Materie aus der wir aufgebaut sind, ihre Masse durch ein sogenanntes Higgs-Feld erhalten. Photonen zum Beispiel wechselwirken wohl nicht mit dem Higgsfeld.
Wenn man der Materie also für kurze Zeit dem Einfluß des Higgsfeldes entziehen könnte, dann wäre Reisen mit Lichtgeschwindigkeit evtl. auch darüber hinaus möglich. Ich glaube dass insbesondere die Elementarteilchenphysik in den nächsten Jahrzehnten wichtige Erkenntnisse bringen wird. Solange sie uns nicht durch die versehentliche Erzeugung eines künstlichen schwarzen Loches alle auf einmal vernichtet.
Dysonkugel (jcl)
Eine interessante Idee. Allerdings wird hierbei nicht das ganze Sonnensystem, sondern nur die Hülle selbst durch den Strahlungsdruck der Sonne beschleunigt. D.h. die Sonne selbst würde binnen kurzem durch das Loch entweichen, wenn man keine Möglichkeit findet, sie irgendwie an der Hülle zu befestigen.
Beschleunigungstrasse (JD)
Ich bin zwar ein Laie auf diesem Gebiet aber mir kam die Idee einer Beschleunigungstrasse. Sozusagen eine Bahn auf dem das Raumschiff beschleunigt werden kann. Dazu, dachte ich mir, könnte man villeicht verschieden gepolte Magnetfelder nutzen die sich gegenseitig abstoßen und somit eine Beschleunigung bewirken. Sie darf nur nicht zu schnell sein, dh die Trasse muss entsprechend lang sein, damit die Beschleunigung nicht tödlich oder gefählich für den Menschen wird. Die selbe Vorrichtung müsste sich natürlich auch am Ziel befinden, was zwei probleme aufwirft. Erstens müsste man die korrekte Ausrichtung der Trasse berechnen und zweitens müsste man die Trasse erstmal am Ziel aufbauen. Ein weiteres Problem ist die Energieversorgung der Magnetfelder. Ich befürchte man müsste große Energiemengen aufbringen um ein entsprechend großes Schiff via Magnetfeldern stark zu beschleunigen sowie abzubremsen. Der Vorteil dieser Trasse ist, dass das Raumschiff selber keinen Treibstoff tanken geschweigedenn laden müsste. Ich denke diese Art der Fortbewegung ist vorallem für sehr große Strecken geeignet (also verhältnismäßig gesehen) andernfalls befürchte ich würde der Energieaufwand sich nicht lohnen.
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