Fortbewegung im Weltall
Hallo,
In einer Atmosphäre können Objekte fliegen, weil sie die Gesetze der Strömungsmechanik ausnutzen. Das Objekt benötigt Tragflächen. Diese Tragflächen sind so beschaffen, dass die Luft, die oberhalb der Tragfläche vorbeiströmt, einen längeren Weg zurücklegen muss als die Luft, die unterhalb der Tragfläche vorbeiströmt. Dadurch kommt es zum einer Kraft, die die Tragflächen nach oben zieht. Diese Kraft hebt die nach unten ziehende Schwerkraft auf.
Zum Vorwärtskommen kann man Propeller verwenden. Das sind eigentlich Luft-Schaufeln. Düsentriebwerke leisten im wesentlichen dieselbe Arbeit.
Im Weltraum, also ohne Atmosphäre, funktioniert *jedes* Treibwerk aufgrund der Impulserhaltung. Das ist ein fundamentales physikalisches Gesetz. Der Impuls p ist das Produkt aus Masse m (in Kilogramm kg) und Geschwindigkeit v (in m/s Meter pro Sekunde): p = m * v.
Selbstverständlich funktioniert dieses Prinzip überall, also auch in der Atmosphäre.
Nehmen wir an, im Weltraum ruht eine Rakete (also Geschwindigkeit v0 = 0), deren Masse m0 aus zwei Anteilen besteht: Nutzlast m1 und Treibstoff m2, also m0 = m1 + m2.
Sie hat dann den Impuls p0 = m0 * v0 = 0 (identisch Null). Das wird sich auch niemals ändern!
Wenn nun die Rakete ihren Treibstoff m2 mit der Geschwindigkeit v2 wegstößt, bewegt sich die Nutzlast m1 mit der Geschwindigkeit v1 in Gegenrichtung:
Die Impulserhaltung definiert den Zusammenhang:
m1 * v1 + m2 * v2 = p0.
Es kommt im Weltraum also darauf an, möglichst viel Impuls mit dem Treibstoff zu erzeugen. Das kann man erreichen durch das Ausscheiden von viel Masse oder durch das Abstoßen des Treibstoffes mit hoher Geschwindigkeit.
Sieh Dir mal die alte Saturn V-Rakete an: 110 Meter hoch, voller Treibstoff, obendrauf eine kleine Kapsel als Nutzlast. Da wurde viel Masse ausgestoßen.
Sieh Dir das modernere Space Shuttle an: untergefähr halbe-halbe zwischen Treibstoff und Nutzlast. Dort wird mit mehr Geschwindigkeit gearbeitet.
Für die Zukunft sucht man Triebwerke, die möglichst hohen Impuls bei möglichst niedrigem Massenausstoß erzeugen. Man möchte also keine riesige Rakete voller Treibstoff, sondern eine Rakete mit überwiegend Nutzlast haben.
Du willst ja auch keinen Sattelschlepper voller Benzin haben, damit Du zur Arbeit kommst ...
Wenig Treibstoffmasse, aber hoher Impuls bedeutet hohe Austrittsgeschwindigkeit v des Treibstoffes. Die kinetische Energie E des Treibstoffes ist E = 1/2 * m * v². Doppelt so hohe Geschwindigkeit bedeutet also vierfach höheren Energie-Aufwand.
Bisher gewinnt man diese Energie aus chemischer Verbrennung, z.B. von Wasserstoff und Sauerstoff zu Wasser.
Aber man befindet sich inzwischen am oberen Limit dessen, was chemische Prozesse ermöglichen.
Kernenergie erlaubt dagegen etwas eine Millionen mal mehr Energie (pro Kilogramm "Brennstoff").
Man müsste also einen Kernreaktor in der Rakete haben, der seine Energie dem Treibstoff überträgt, z.B. durch Teilchenbeschleunigung.
Das geht im Prinzip schon. Allerdings gibt es noch erhebliche technische Schwierigkeiten, da die pro Zeit erzeugte Masse nicht ausreicht, um die Rakete genügend schnell zu beschleunigen.
Ich hoffe, es ist einiges klarer geworden.
Tschüß,
Sanctitas =:]