Was tun mit einem Impuls-Antrieb?

Lina-Inverse

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Hallo Bynaus,

offensichtlich unterscheidet sich unser Sprachverständnis signifikant. Vielleicht überdenkst du mal was man im allgemeinen im deutschen "zur Verfügung stehend" versteht. Das fällt da meiner Meinung nach ganz sicher nicht drunter:
Doch: Antimaterie liefert 9 x 10^16 Joule/kg. Ein Raumschiff mit ca. 20% Antimaterie-Zuladung als Energieträger (und 100% effizienter Umwandlung selbiger in Energie für den Impulsantrieb) könnte also auf 0.5 c beschleunigen und wieder bremsen.
Wenn du schon mit Antimaterie mit 100% Wirkungsgrad als Energiequelle kommst kannst du dir den Impulsantrieb schenken, den brauchst du dann nicht mehr wirklich.

Das stimmt. In einem kg Thorium stecken aber 3 x 10^13 J - das reicht hier also problemlos.
Du übergehst das du diese Energiemenge aus der Bindungsenergie nicht in vernünftiger Zeit zu 100% freisetzen kannst, geschweige denn verlustfrei umsetzen kannst. Existierende Kernreaktoren sind aber miserabel was die Ausnutzung des Kernbrennstoffs betrifft (ist stationär kein Problem wegen der hohen Energiedichte, man kann das Zeug ja aufarbeiten). Das soll beim Thorium ja besser sein - nur der steht uns noch nicht zur Verfügung.

Du hast einen Start von der Erdoberfläche postuliert, das setzt voraus das du eine höhere Beschleunigung als 1g erreichen musst (alles unter 1g geht in die Gravitationsverluste bis ein Orbit erreicht ist). Das ist eine Herausforderung für die Energiequelle, sie muss die 10^7 j/kg innerhalb weniger Minuten liefern - anders als im Weltraum muss man entweder richtig beschleunigen oder es tut sich nichts - kein gemütliches herausspiralen aus der Umlaufbahn mit 1/1000g.

Es muss doch aber gleichzeitig gelten: denn wer sagt, relativ zu was man das "v" messen muss?
Wie kann wie ein Raumschiff das von jenseits Pluto mit Impulsantrieb 1/2 Jahr lang mit 1g beschleunigen und dabei 50watt * (180 tage a 86400 sekunden) = 7.7*10^10j umsetzt dann mit einer kinetischen Energie von 10^16j auf der Erde aufschlagen? (Dein Impaktorszenario).

Gruss
Michael
 

Torsoise

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@Tortoise: Du kannst der Thermodynamik keine Schnippchen schlagen. Wie gesagt: egal was du machst, irgendwann ist alle Energie, die an der Quelle freigesetzt wird, in Form von Wärme vorhanden, die an der Aussenhülle des Raumschiffs abgestrahlt werden muss. Je nachdem, wie gross diese Fläche ist, nimmt das Raumschiff eine andere Temperatur an.

Ok.. unter der Annahme das ein Laser für dich auch "Wärme" ist .. nur halt ein anderes Spektrum.. Passt das auch für mich. Es gibt letzten Endes nur den Weg über die Hülle/Aussenhaut. Ob die Energie nun über Eine Metallplatte oder einer Diode abgestrahlt wird ist Egal. Weg Beamen geht nicht.. und nen schwazres Loch gibts auch nicht an Bord.

Wie stellst du dir das konkret vor: wenn dein Medium entspannt ist, kann es eben noch weniger Wärme vom Reaktor aufnehmen.

Krübel.. krübel..

Das Medium entspannt sich weil ich mehr Volumen zur Verfügung stelle. Bei diesen Entspannungsvorgang nimmt es Wärme vom Reaktor auf(genau wie eine haarsprähdose). Wenn mehr Volumen zur Verfügung steht, ändert sich auch der Druck. Druckänderungen kann ich mithilfe einer Turbiene in el-Energie umwandeln (teilchen wandern vom gebiet mit hohen druck richtung dem gebiet mit wenig druck. Zwischen diesen beiden Gebieten Sitzt die Turbine). Dann nehme ich einen Teil der el-Energie und Stecke Sie in einen Kompressor welchen das Medium wieder in den Zustand vor dem ersten entspannen bringt. Da durch Wärmezufuhr aus den Reaktor auch der Druck des Mediums steigt, kann ich efektiv Wärmeenergie in elektrische Energie umwandeln. Der Kreislauf des Mediums ist dann auch geschlossen!

Zudem, wenn du das Medium (sagen wir: Wasser) einfach in den Weltraum verdampfen lässt, dann hilft das zwar, aber du brauchst eben auch Unmengen von Wasser.

Siehe Post oben.

Wenn du das Wasser nicht verdampfen lässt, nimmt es einfach die Temperatur des Raumschiffs an (siehe oben). Wie oben erwähnt: keine Schnippchen.

Das CO2 wird bei Volumenerhöhung und damit Druckvermidnerung von Flüssig zu Gasförmig wechseln! Das ist Vorrausetzung damit ich die Turbiene antreiben kann! Wenn ich mithilfe des Kompressors den Druck erhöhe wird das Medium sogar heisser als die Umgebung (also.. die Energiedichte steigt).


Überleg dir mal, was mit der Energie geschieht, die du in den Antrieb steckst. Die geht nicht einfach verloren, sondern sie wird letztlich ebenfalls in Wärme umgewandelt.

Das stimmt! Hab aber keine wirklich Vorstellung was ein impulsantrieb macht (wikipedia weiss es auch nicht).. aber da er sicherlich keine materie ausstößt, stimm ich dir zu, das die energie erst einmal im raumschiff angestaut wird(ob direkt in wärmeenergie oder inform eines impulses.. keine Ahnung). Aber lieber die Energie in den Antrieb stecken und schneller beschleunigen, als zu versuchen alles über die Ausshaut des schiffes in form von infarotstrahlung loszuwerden. :p

Enas Yorl;xxx schrieb:
auch das mit den Laser ist nicht so leicht.

Kann mir jemmand einen Link mit den Hintergründen nennen? Oder kurz erklären auf welche Probleme man stößt, wenn man statt elektromagnetischen Spektrum das spektrum eines Lasers zum emitieren von Energie nutzt?
 

Kibo

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Hallo Torsoise,

kannst du mir erklären warum du mit den gerade so schwer erarbeiteten elektrischen Strom einen sinnlosen Laser antreiben möchtest anstatt den Impulsantrieb?

mfg
 

Torsoise

Registriertes Mitglied
Hallo Torsoise,

kannst du mir erklären warum du mit den gerade so schwer erarbeiteten elektrischen Strom einen sinnlosen Laser antreiben möchtest anstatt den Impulsantrieb?

mfg

Warum ich die Energie nicht in den Antrieb stecken sollte, hat Bynaus schon geschrieben:

bynaus schrieb:
Überleg dir mal, was mit der Energie geschieht, die du in den Antrieb steckst. Die geht nicht einfach verloren, sondern sie wird letztlich ebenfalls in Wärme umgewandelt.

Ausgangssituation für die Idee mit dem Laser ist ein Raumschiff, welches nicht genug Oberfläche hat um die Wärmeenergie des schiffinternen Reaktors zu kompensieren. Aus den Raumschiff ne Kugel mit vielen km Durchmesser zu machen, wird als Lösung des Wärme-Problems per se ausgeschlossen!
 

Torsoise

Registriertes Mitglied
bynaus schrieb:
Natürlich gibt es noch weitere Dinge zu beachten. So ist die Leistung eines Atomreaktors, der 1 GW Elektrizität liefert, tatsächlich drei mal so gross, aber der Rest wird in Form von Wärme produziert (dh, bei 5 GW sind das zusätzliche 10 GW an Wärme).

Das mit dem Laser basiert ja letztenendes auch auf diesen Post von bynaus. Der Thorium-Reaktor produziert ja an sich keine elektrizität. Er produziert Wärme Energie welche dann in einer Dampfturbiene erst in el-Energie umgewandelt wird. Laut wikipedia wäre der maximale Wirkungsgrad der carnot wirkungsgrad (<87%). Da aber jedoch auch die Möglichkeit besteht, elektrische Energie welche sich bei Benutzung in wärmeenergie wandelt mittels wärmetauscher zu "recyceln". Ist defakte sogar ein "Nutzungs"-Wirkungsgrad von über 100% Möglich. Also wäre es blödsinn Energie mit den Laser zu verballern. Genauso wie es blödsinn wäre zu versuchen 10 GW über die Aussenhülle des Schiffes zu loszuwerden?
 

Enas Yorl

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Kann mir jemmand einen Link mit den Hintergründen nennen? Oder kurz erklären auf welche Probleme man stößt, wenn man statt elektromagnetischen Spektrum das spektrum eines Lasers zum emitieren von Energie nutzt?

Das Problem besteht darin, das man beim konzentrieren der Wärmeenergie und anschließenden abstrahlen mit dem Laser, mehr Entropie auf dem Raumschiff erzeugt als man damit abstrahlt.
 

Kibo

Registriertes Mitglied
Um das kurz noch einmal zusammen zu fassen:

Wenn du einen Thorium Reaktor mit 87% Wirkungsgrad hast, und 5GW elektrischen Strom brauchst, dann gibt es auch nur ungenutzte Wärmeenergie von 0,747 GW die man abführen muss. Solch ein hoher Wirkungsgrad ist nur theoretisch machbar und er bringt auch nicht nur Vorteile. Wenn man beispielsweise die Dampfturbinen durch etliche Stirling-Motoren ersetzen würde und alles Meterdick dämmt kommt man natürlich auf einen ziemlich hohen Wirkungsgrad, dafür wiegt die Reaktormaschinerie dann aber 1000 Tonnen und muss täglich von 100 Technikern gewartet werden...

Manchmal ist es einfach am günstigsten Radiatoren zu verwenden, dann muss man auch keine kilometergroßen Kugeln bauen.

mfg
 

Major Tom

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Wäre es eigentlich denkbar, die ganze Kraftwerks Sektion weitgehend vom Rest des Schiffs zu trennen ?
Wenn die Radiatoren dort dann ein paar tausend Grad heiß werden könnte möglicherweise auch mehr Energie pro Fläche abgestrahlt werden.
MT
 

Kibo

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Ich denke nicht, dass die Abwärme wirklich ein großes Problem darstellt. Nichts was man mit gutem Design nicht in den Griff kriegen könnte.
 

ralfkannenberg

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Die 8 LJ waren mehr oder weniger über den Daumen, der Sinn sollte klar sein: jedes bißchen Entfernung mehr müßte durch eine erheblich bessere Chance auf ein erheblich lohnenswerteres Ziel gerechtfertigt sein. Sirius wird durch die große Strahlenbelastung seiner Planeten eher nicht in der engeren Wahl sein, und die Motivation "nur" mal einen Weißen Zwerg aus der Nähe zu sehen ist für so ein Projekt zu wenig
Hallo Alex,

das sehe ich jetzt aber ganz anders: hier haben wir einen Himmelskörper in der "Nähe" (nur doppelt so weit entfernt wie das sonnennächste bekannte Sternsystem alpha/Proxima Centauri), auf dem völlig andere physikalische Verhältnisse herrschen als in irgendeinem irdischen Labor. Da wird es sicherlich genügend Experimente geben, die man mal "vor Ort" überprüfen sollte.

Und wenn man über so eine tolle Technologie wie einen Impulsantrieb verfügt, dann gehe ich mal stillschweigend davon aus, dass man auch die Strahlung geeignet abschirmen kann.


Ähnlich ist das mit den Braunen Zwergen; bei einer Flugzeit von Jahrzehnten wird man das Projekt so planen, daß diese Leute zum großen Teil dort bleiben werden.
Im Gegensatz zum Weissen Zwerg könnte das hier aber möglich sein. Wobei es beim Sirius auch einen schönen weit genug entfernt umlaufenden Planeten geben könnte, der als Basis zum Wohnen geeignet ist.


Dazu ist es unerlässlich, daß man sicher einen Festkörper hinreichender Größe findet und auch Erfahrung damit hat, selbsterhaltende Kolonien aufzubauen. Ein Raumschiff, und sei es noch so groß, wird in sich niemals selbsterhaltend funktionieren können. Irgendwann ist die Technik verschlissen.
Ich denke, das ist ein ganz zentraler Punkt, der noch zuwenig angesprochen wurde: während die Seefahrer früherer Zeiten oftmals zwar auch nicht wieder zurückkommen konnten, so wussten sie, dass einen Unfall oder eine Meuterei ausgeschlossen sie irgendwann auf einer grünen Insel ankommen und dort überleben können.

Das weiss man im Falle der interstellaren Raumfahrt nicht und einfach so eine Sonde vorschicken geht auch nicht, weil sie uns ihre Ergebnisse nicht vermitteln kann: selbst wenn sie nach Sondenzeit in 20 Jahren im Zentrum der Galaxie einen schönen Planeten findet, so vergeht auf der Erde etwas mehr Zeit. Und zusätzlich braucht die Botschaft per Lichtgeschwindigkeit über 25000 Jahre, um die Erde zu erreichen.

Somit kommt der Rückkehrbarkeit eine grosse Bedeutung zu, es sei denn, man ist gewillt, sein Leben und das seiner Nachfahren an Bord riesiger Raumstationen zu verbringen, was übrigens auch ethische Fragen aufwerfen könnte, ob man es seinen Nachfahren zumuten darf, dass sie nicht auf einem schönen Planeten wohnen können.

In einem ersten Schritt würde ich also die Rückkehrbarkeit vorsehen, und das schränkt die Reichweite wesentlich ein. Hat aber auch den Vorteil, dass die Forscher ihre Ergebnisse den Erdbewohnern halbwegs zeitnah mitteilen können, so dass diese Folge-Expeditionen planen können.


Freundliche Grüsse, Ralf
 

Ich

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Hi Bynaus,

deine 50 J/kg brauchst du, um von 0 auf 10 m/s zu beschleunigen. Wobei die Geschwindigkeit relativ zu der unendlich großen Rückstoßmasse zu nehmen ist, die du dafür brauchst, z.B. der Stator eines Linearmotors. Um von 10 m/s auf 20 m/s zu beschleunigen, muss die Kraft für eine größere Strecke erzeugt werden, du brauchst mehr Energie.
Rückstoßantriebe funktionieren anders und immer schlechter als ein solcher Antrieb. Wenn du z.B. Licht als Rückstoßmedium nutzt, geht fast die ganze Energie dafür drauf, einen unglaublichen Lichtstrahl zu erzeugen; die kinetische Energie, die das Raumschiff gewinnt, ist im Verhältnis vernachlässigbar. (Außerdem immer gleich Null im momentanen Ruhesystem!)

Das Verhältnis von Leistung zu Schub ist (1-\sqrt(1-v²/c²))*c²/v, wenn v die Ausströmgeschwindigkeit ist. Das ist bei niedriger Ausströrmgeschwindigkeit v/2, für hohe ist es v.
Für die 100000 t brauchst du 1 GN Schub. Das wären bei 10 m/s deine 5 GW. Allerdings müsstest du dafür pro Sekunde 100000 t Material ausstoßen, was etwas unpraktisch wäre.
Mit Laserantrieb brauchst du nur 330 g pro Sekunde, das geht. Die Leistung beträgt dann aber 300 Millionen Gigawatt. Was auch wieder Richtung "unpraktisch" geht.
Einen goldenen Mittelweg gibt's leider nicht wirklich. Man kann den Schub mit z.B. herkömmlichem Raketenantrieb erzeugen, braucht dann aber 2500 GW und 20 t/s - was beides unpraktisch wäre.

Also, die erforderliche Ingenieursleistung ist um ein Vielfaches größer als das, wovon ihr ausgeht. Das hat einfach nichts mit heutiger Technologie zu tun.
 

ralfkannenberg

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Also, die erforderliche Ingenieursleistung ist um ein Vielfaches größer als das, wovon ihr ausgeht. Das hat einfach nichts mit heutiger Technologie zu tun.
:confused:
verstehe ... - vielleicht sollte man die Ziele "Zentrum der Galaxie" und "Weisser Zwerg beim Sirius" etwas redimensionieren und als erstes Teilprojekt zum Mars fliegen und dem Spirit eine neue Batterie einsetzen.

Und dann als Zweites eine Mission zu einem der Merkur-Pole einplanen, auf so einer Mission kann man auch Erfahrungen hinsichtlich "Strahlenschutz" sammeln.


Freundliche Grüsse, Ralf
 

UMa

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Hallo Bynaus,

ich denke nicht, dass man an Impulserhaltung-verletzenden Triebwerken denken muss. Nimm doch einfach ein normales Rückstoßtriebwerk. Die optimale, d.h. energieminimale, Ausströmgeschwindigkeit liegt bei etwa 63% des delta-v. Das delta-v ist das doppelte der Maximalgeschwindigkeit (nicht relativistisch) falls man wieder abbremsen will. Der Energieverbrauch (bei 100% Wirkungsgrad) ist dann nur E=Leermasse*0.772*(delta-v)^2. Das ist nicht so viel mehr als die kinetische Energie der Leermasse von Ekin=Leermasse*1/8*(delta-v)^2 (bzw. Ekin=Leermasse*1/2*(delta-v)^2 falls man nicht abremst).
Und soviel Energie aufwenden, dass du deutlich über 0.5c kommst wirst du ohnehin nicht wollen, kannst also erstmal weiter nicht relativistisch rechnen.

Grüße UMa
 
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Bynaus

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@alle: Freut mich, dass das Thema doch noch euer Interesse hat zu wecken vermögen... :)

@Lina: Mir ging es nur darum, richtigzustellen, dass es durchaus Energieträger gibt, die eine Bewegung mit Bruchteilen der Lichtgeschwindigkeit erlauben dürften. Ob das praktisch in nächster Zeit realisierbar ist, ist natürlich eine andere Frage.

Du übergehst das du diese Energiemenge aus der Bindungsenergie nicht in vernünftiger Zeit zu 100% freisetzen kannst, geschweige denn verlustfrei umsetzen kannst.

Du hast einen Start von der Erdoberfläche postuliert, das setzt voraus das du eine höhere Beschleunigung als 1g erreichen musst

Da ein weltraumtauglicher Atomreaktor etwa 200 W/kg freisetzen kann, dachte ich, dass sich damit die benötigte Leistung von 50W/kg freisetzen lässt. Siehe jedoch weiter unten, was diese "50 W/kg" angeht. Wenn die Rechnung so stimmen würde, hätte man damit prinzipiell eine Beschleunigung von 4 Ge erreichen können.

Wie kann wie ein Raumschiff das von jenseits Pluto mit Impulsantrieb 1/2 Jahr lang mit 1g beschleunigen und dabei 50watt * (180 tage a 86400 sekunden) = 7.7*10^10j umsetzt dann mit einer kinetischen Energie von 10^16j auf der Erde aufschlagen? (Dein Impaktorszenario).

Jep, du legst den Finger auf die Quelle meiner Verwirrung, die ich mit eurer Hilfe aufzuklären versuche.

@Kibo:

Manchmal ist es einfach am günstigsten Radiatoren zu verwenden, dann muss man auch keine kilometergroßen Kugeln bauen.

Genau - man kommt letztlich um Radiatoren nicht herum. Aber die machen das Schiff eher unförmig und schwerfällig. "Shuttles" wie direkt aus Star Trek sind so nicht möglich. Oder aber, man nützt das ganze aus und baut halt relativ grosse Kugeln: ein grosser Innenraum ist ja nicht zwingend problematisch, so lange die Masse des Gefährts nicht ins unermessliche steigt (sicher auch ein Optimierungsproblem, dh, es würde für jedes Hüllen-Material eine optimale Schiffsgrösse geben).

@Ich: Aha, nun nähern wir uns dem Kern des Problems. Ich glaube, in diesem Satz liegt tatsächlich der Hund begraben:

Um von 10 m/s auf 20 m/s zu beschleunigen, muss die Kraft für eine größere Strecke erzeugt werden, du brauchst mehr Energie.

Das stimmt genau! Das heisst aber offenbar auch, dass die Existenz eines Impulsantriebs zwingend die Existenz eines bevorzugten Inertialsystems bedingt, gegenüber dem man beschleunigen muss.

Also, die erforderliche Ingenieursleistung ist um ein Vielfaches größer als das, wovon ihr ausgeht. Das hat einfach nichts mit heutiger Technologie zu tun.

Wie gesagt, es geht mir nicht um Rückstossantriebe. Es geht mir um die Frage: angenommen, wir hätten sowas wie einen Impulsantrieb: könnten wir ihn mit ansonsten nahezu heutiger Technologie nutzbringend für die Erforschung des Weltraums einsetzen, und welche wissenschaftlichen/technologischen/politischen/soziologischen Konsequenzen hätte das?

@UMa:

ich denke nicht, dass man an Impulserhaltung-verletzenden Triebwerken denken muss.

Wer redet denn davon, dass ein Impulsantrieb die Impulserhaltung verletzen muss? Ich auf jeden Fall nicht.

Verletzt ein Tether (ein stromführendes Kabel in einem planetaren Magnetfeld) die Impulserhaltung, nur weil er ohne direktes Rückstossmedium auskommt? Natürlich nicht. Wie funktioniert ein Tether? Er interagiert mit einem Feld, das den Rückstoss an die Quelle des Feldes vermittelt: das heisst, letztlich liefert die Erde (bzw., der das Magnetfeld erzeugende Planet) die Rückstossmasse, gegenüber der der Tether beschleunigt. Genauso wäre es bei einem (hypothetischen) Impulsantrieb: die Gesamtheit der Masse im Universum liefert die Rückstossmasse, gegenüber der der Impulsantrieb beschleunigt.

Natürlich könnten wir jetzt diskutieren, ob es einen solchen Antrieb geben kann, und wie man ihn allenfalls bauen könnte. Aber dafür gibts andere Threads: Mich interessiert, was wir tatsächlich tun könnten, wenn wir mal für den Moment davon ausgehen, dass wir einen solchen Antrieb hätten.

Nimm doch einfach ein normales Rückstoßtriebwerk.

Das ist eben nicht die Idee. Ich würde gerne etwas neues ausprobieren, nicht das altbekannte zum x-ten Mal neu diskutieren (auch wenn ich deinen Input dazu trotzdem schätze).
 
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Lina-Inverse

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Hallo Bynaus,

ich denke in deinem "bevorzugten Inertialsystem" liegt der dicke Hund begraben.

Betrachten wir einmal den klassischen Reaktionsantrieb, die Beschleunigung ist als a = F/m definiert (Wiki). Da die Reaktionsmasse aus der die Kraft F resultiert, definiert eine konventionelle Rakete tatsächlich ihr "bervorzugtes Inertialsystem" - rein von der Rechnung her ruht die Rakete. Darum ist der Energieaufwand für die Rakete (unter der unrealistischen Prämisse ihre Masse bleibe konstant) für die Beschleunigung um X konstant. Tatsächlich sinkt sie sogar weil die Rakete ja durch die abgestossene Reaktionsmasse immer leichter wird.

Die Energiedifferenz zwischen kinetischer Energie bei Brennschluss und dem Intgral der auf die Rakete einwirkenden Kraft F über die Zeit (Brenndauer) lässt sich dann dadurch erklären das die Rakete "schummelt" weil sie ihre Reaktionsmasse (Treibstoff) ja immer mit beschleunigt hat. Nur deshalb gilt die Formel a = F/m überhaupt für die Rakete,.

Bei einem Impulsantrieb ist nicht klar welches das Inertialsystem ist auf welches der Antrieb überhaupt wirkt. Dazu müssten wir etwas über seine physikalische Arbeitsweise wissen. Darum ist das nun Folgende reine Vermutung von mir.

Bei dem potentiellen Kandidaten Mach-Lorenz Antrieb, wäre das Inertialsystem wohl das Gravitationsfeld in dem sich der Antrieb bewegt. Statt dessen muss man das beschleunigte Bezugssystem berücksichtigen (kapiert habe ich den Artikel noch nicht, ich hoffe jemand ist hier fitter und kann es uns verständlicher machen). Da mit steigender Geschwindigkeit relativ zum Inertialsystem der Energiebedarf für ein gegebenes delta-v von 10m/s immer weiter ansteigt gilt hier nicht mehr a = F/m!

Für andere "next-generation" Kandidaten (Magsail etc.) denke ich ist die Lage die gleiche.

Hoffende Grüsse keinen Blödsinn verzapft zu haben,
Michael
 
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