interstellare Raumschiffphysik

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JensU

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Hier stelle ich mein interstellares Raumschiffkonzept mit der angewendeten Physik und Mathematik vor.
Bilder dazu sind per E-mail möglich.

Meine Anforderungen an ein interstellares Raumschiff:
Es muss sehr leicht, schnell, bezahlbar und sehr stabil für eine sehr hohe Beschleunigungen sein.

Die Beschleunigung, Raumschiffmasse, spezifischer Impuls beinflussen die Flugzeit
im Raumschiff entscheident.
Dadurch ist ein Trägheitsdämpfer für die Astronauten notwendig.

Die Reaktionsmasse und Energie für das Raumschiff in einem ist der Raum mit der kosmischen Teilchenstrahlung selbst bzw.
die Anwendung der Astrophysik.
Das Raumschiff wandelt die Teilchenstrahlung direkt in einen nach außen gerichteten spezifischen Impuls um.

Gruß,
Jens
 

Bynaus

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Hast du dir mal Gedanken gemacht, wie viel Energie da pro Quadratmeter Raumschiffoberfläche zur Verfügung steht, und wie sich das mit den Anforderungen eines schnellen interstellaren Raumfluges vergleicht?
 

Alex74

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Hallo JensU,

"Trägheitsdämpfer" - zu viel Star Trek geschaut?
Ansonsten: kosmische Strahlung gezielt umlenken. Wie soll das funktionieren?
Ferner: Hast Du mal berechnet wieviel Energie da theoretisch rauszuholen ist? Die kosmische Strahlung, das sind 1000 Teilchen je Sekunde je m². Selbst wenn Dein Raumschiff 100 ha Oberfläche hätte, die diese Teilchen umlenken könnte (also 1 Mrd. m²), wären das gerademal 1 Mrd. Teilchen je Sekunde.
Klingt viel?
Jedes Teilchen transportiert im Mittel (ich schätze hier leider nur zwischen den Extremwerten da mir exakte Mittelwerte fehlen) 10^12 eV.
Selbst wenn Du 100% der Energie der Teilchen verwerten könntest, stünden dem Raumschiff nur 10^21 eV zur Verfügung, das sind etwa 1,6*10^2 Joule, also 160 Joule.
Das entspricht der Energie einer drittel Erbse.

Ich hoffe allerdings ich habe keinen Rechen- oder Denkfehler, ich bin da eigentlich lange raus...

Gruß Alex
 

Bynaus

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Da braucht es keine Trägheitsdämpfer. Aber ein Langweiledämpfer, das wär nicht schlecht. So langsam wie das Raumschiff voran käme... ;)
 

mac

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Hallo JensU,

so weit ich das mit den kleinen Bröckchen Information von Dir zu erkennen glaube, ist Deine Idee ein bald 60 Jahre alter Hut!

https://en.wikipedia.org/wiki/Bussard_ramjet

und neben dem Problem zunächst mit einem 'konventionellen' Antrieb einige % c zu erreichen, einen Staustrahlfusionsreaktor zu entwickeln, ein tausende km weit ins All reichendes Magnetfeld beträchtlicher Stärke zu erzeugen und sich davor zu schützen, ist der Hauptgegner die Impulserhaltung.

Herzliche Grüße

MAC
 
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mac

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Hallo Bynaus,

Das ist jetzt aber auch eine sehr wohlmeinende Interpretation! :)
Ja, ich fürchte Ja!


Versuche gerade mir vorzustellen, welche technischen Konsequenzen solch eine Behauptung
Wenn wir für die gleiche Strecke mit 20g beschleunigen und abbremsen würden, wären wir 1h unterwegs und 2 Tonnen leichter.
wohl hätte? (gleiche Strecke waren hier 100 Millionen km und seine Zeitangabe falsch. (Er hätte mit diesem Manöver nur rund 6 Promille dieser Strecke geschafft)

Bleiben wir aber mal bei 20 g Beschleunigung und 0,5 Stunden (danach will er ja wieder abbremsen) und der von mir dort genannten (Schiffs)Masse von 4 t, bestehend aus 2 t Struktur plus 2 t Menschen, Ausrüstung, incl. dem Rest seiner 2 Tonnen ‚Treibstoff‘ nach dieser halben Stunde.

Bei einem Wirkungsgrad des Antriebes von (sehr optimistischen) 90% müßte er in dieser halben Stunde rund 2,5E13 Joule Wärme los werden. Das ist etwa so viel Abwärme, wie z.B. das Kernkraftwerk Brunsbüttel in gut 4,5 Stunden produziert und mit knapp 600 tausend Tonnen Wasser kühlt.

Wieviel Abstrahlfläche bei welcher Temperatur er dafür brauchen würde, hab‘ ich jetzt noch nicht gerechnet, fürchte aber, daß er auch mit 50% der Strukturmasse bei weitem nicht auskommen wird.

Herzliche Grüße

MAC
 

mac

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Noch ein paar Worte zur Abwärme.

Im Weltall kann man nur mit Strahlungswärme kühlen (weil es weder Luft noch Wasser gibt)

Wenn man die, im vorigen Post beschriebene anfallende Wärme los werden möchte, braucht man eine entsprechend große Abstrahlfläche. Ich lasse mal alle Probleme mit Festigkeit, Eigenlänge Temperaturgradient zwischen Wärmeleitung und ‚Kühlblech‘ außen vor und gehe nur vom Schmelzpunkt von Wolfram aus, 3695 Kelvin und lege, ohne mich um die Materialeigenschaften so dicht am Schmelzpunkt zu kümmern, eine Betriebstemperatur von 3690 K zu Grunde.

Dann braucht man ein quadratisches Blech mit 1,089 km² Kantenlänge (ein Blech hat zwei Abstrahlseiten). Dieses Blech soll 1 mm dick sein, dann hat es eine Masse von 22800 Tonnen (die ja mitbeschleunigt werden müßten, was aber eine Beschleunigung 20 g schon wieder ausschließen würde, weil diese Energiemenge nur bei einer beschleunigten Masse von 4 Tonnen anfällt. (Mit Stahl wären es, wegen des geringeren Schmelzpunktes 214000 Tonnen)

Welche bautechnischen Kunststücke man dabei vollbringen müße um den Bereich der Eigenfestigkeit nicht zu überschreiten, hab‘ ich mir nicht überlegt, da es sowieso keine absehbar realistische Möglichkeit gibt ein solches Schiff zu bauen und dann durchgehend mit 20 g zu beschleunigen.

Wen es interessiert, das Rechenverfahren findet man z.B. hier: https://de.wikipedia.org/wiki/Stefan-Boltzmann-Gesetz

Herzliche Grüße

MAC
 

Bynaus

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Ganz allgemein lässt sich sagen, dass das Problem der Abwärme in der Science Fiction (meist!) komplett ignoriert wird. Betriebstemperatur des Raumschiffs, Abwärme der Energieversorgung und die zur Verfügung stehende Abstrahloberfläche (und wie du sagst, das damit zusammenhängende Gewicht) hängen stark zusammen und limitieren die Möglichkeiten. Es ist kein Zufall, dass die Radiatoren der ISS fast gleich gross sind wie ihre Solarpanels...
 

Major Tom

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Wird interessant, was die Materialforschung da noch liefern kann.
Nanotubes z.B. haben etwa die hundertfache Wärmeleitfähigkeit von Kupfer bei einem spezifischen Gewicht von nur 1,4 g/cm³. Und da sie auch zur Beschichtung von Wolframglühdraht in Glühbirnen verwendet werden, halten sie wohl auch einiges an Hitze aus.
 

Alex74

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Wäremeleitfähigkeit hat nur leider nichts mit Abstrahlwärme zu tun. Das beste was man erreichen kann ist die Wärmeabstrahlung eines perfekten Schwarzkörpers.
 

Bernhard

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Wäremeleitfähigkeit hat nur leider nichts mit Abstrahlwärme zu tun.
Im Prinzip ist das zwar richtig, weil es sich um unterschiedliche physikalische Vorgänge handelt, aber ich würde auch schätzen, dass eine gute Wärmeleitfähigkeit förderlich bei der Abfuhr von Abwärme sein sollte.

Vielleicht wird man also einmal von der Verwendung von Nanotubes in der Raumfahrt hören.
 

Major Tom

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Wäremeleitfähigkeit hat nur leider nichts mit Abstrahlwärme zu tun. Das beste was man erreichen kann ist die Wärmeabstrahlung eines perfekten Schwarzkörpers.

Stimmt – aber mein Punkt ist, dass eine höhere Wärmeleitfähigkeit auch eine gewichtsparendere Konstruktion ermöglichen sollte. (mehr Fläche bei gleicher Masse oder weniger Masse für die gleiche Fläche)
Im übrigen muß ich noch etwas richtigstellen: die hundertfache Leitfähigkeit hat sich auf Stahl und nicht wie von mir irrtümlich geschrieben auf Kupfer bezogen.
 

Protuberanz

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Hallo JensU,

so weit ich das mit den kleinen Bröckchen Information von Dir zu erkennen glaube, ist Deine Idee ein bald 60 Jahre alter Hut!

https://en.wikipedia.org/wiki/Bussard_ramjet

und neben dem Problem zunächst mit einem 'konventionellen' Antrieb einige % c zu erreichen, einen Staustrahlfusionsreaktor zu entwickeln, ein tausende km weit ins All reichendes Magnetfeld beträchtlicher Stärke zu erzeugen und sich davor zu schützen, ist der Hauptgegner die Impulserhaltung.

Herzliche Grüße

MAC

Selbst wenn das funktionieren würde, könnte man wohl auf absehbare Zeit jede Strecke nur einmal fahren. Beim zweiten Mal stottert dann der Reaktor, oder bleibt gleich ganz aus. Hin- und Rückweg müssen also immer verschieden sein. Zumindest solange, bis die Strahlung in ein paar Tausend oder Millionen Jahren, wieder mal ein paar Teilchen in diese Gegend gepustet hat.
 

mac

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Hallo Protuberanz,

mal abgesehen davon, daß es, zumindest nach bisherigem Stand nicht geht, spielt der 'Kanal' den man mit sowas 'freiräumen' kann überhaupt keine Rolle.

Zur leichteren Vorstellung der Größenverhältnisse: Selbst wenn der Auffangschirm einen Radius, so groß wie die Erdbahn um die Sonne hätte (150 Millionen km Radius), dann wäre das auf einer Strecke von 4 Lichtjahren das gleiche Verhältnis wie ein 1 m langes Rohr mit einem Durchmesser von 8 Mikrometern (etwa so groß wie ein rotes Blutkörperchen).

Das Gas im interstellarraum ist zwar sehr dünn verteilt, bewegt sich aber dennoch mit erheblicher Geschwindigkeit um das galaktische Zentrum herum aber auch chaotisch durcheinander und Start und Ziel haben ebenfalls eine Relativgeschwindigkeit zueinander. Dieser 'Stichkanal' wäre schon nach wenigen Wochen kaum noch zu erkennen.

Herzliche Grüße

MAC
 

Stevie

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Selbst wenn das funktionieren würde, könnte man wohl auf absehbare Zeit jede Strecke nur einmal fahren. Beim zweiten Mal stottert dann der Reaktor, oder bleibt gleich ganz aus. Hin- und Rückweg müssen also immer verschieden sein. Zumindest solange, bis die Strahlung in ein paar Tausend oder Millionen Jahren, wieder mal ein paar Teilchen in diese Gegend gepustet hat.

Man möge es mir als Laien nachsehen, aber das verstehe ich nicht. Es wird doch seitens TE von der Teilchenstrahlung gesprochen, oder nicht? Da diese aber mW von überall her gleich einfällt, sollte sich doch eigentlich gar kein "Flugkanal" bilden können.
Das durchflogene, "gesiebte" Raumgebiet sollte sich doch direkt wieder mit Teilchen gefüllt haben?

In Bezug auf interstellares Gas kann ich mac´s Antwort nach vollziehen.

Wo liegt da mein Denkfehler?
 
Zuletzt bearbeitet:

mac

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Hallo Stevie,

Wo liegt da mein Denkfehler?
Wenn ich Dich richtig verstehe, nirgendwo.

Das Missverständnis liegt wahrscheinlich bei den Vorstellungen von Protuberanz bezüglich der Geschwindigkeiten von Gasatomen aller Art im All und den tatsächlichen Größenverhältnissen.

Herzliche Grüße

MAC
 

Bynaus

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Ich denke, JensU meinte die hochenergetische Teilchenstrahlung ("kosmische Strahlung"). Die kann man nicht für einen Antrieb nutzen weil sie pro Raumeinheit sehr viel weniger Energie liefert (selbst wenn man sie perfekt nutzen könnte) als ein interstellares Raumschiff braucht.

Mac erwähnte den Bussard-Staustrahl-Antrieb (der übrigens seine ganz eigenen grundsätzlichen Probleme hat), aber dieser Arbeitet nicht mit der hochenergetischen Teilchenstrahlung, sondern mit dem vergleichsweise langsamen Wasserstoff-Gas (bzw. Plasma) im interstellaren Raum. Auch hier kommt die Energie, die das Raumschiff antreibt, nicht direkt aus der Bewegung dieser Teilchen, sondern aus ihrer Kernfusion.
 

mac

Registriertes Mitglied
Um mal einen Eindruck zu bekommen, um welche Energien es bei dem Teilchenfluß der kosmischen Strahlung geht:

Quelle schrieb:
Pro Quadratmeter und Sekunde treffen etwa 1000 Teilchen auf die Erdatmosphäre mit einer Energiedichte von etwa 1eV/cm².
Quelle: http://www1b.physik.rwth-aachen.de/~schael/Seminar SS07_files/2007_06_04_schumacher_ausarbeitung.pdf

Um also die oben beschriebenen 2,49E14 Joule Energie (4 Tonnen Masse, 30 Minuten mit 20 g beschleunigt) innerhalb von 30 Minuten aufzusammeln, bräuchte man ein ‚Fangnetz‘ mit einem Radius von 5,25 Milliarden km, also weit über die Neptunbahn hinaus. ‚Leider‘ nimmt der Teilchenfluß, weiter weg von der Erdbahn, also auch weiter weg von der Sonne, dramatisch ab. Und allein durch Einfangen erhält man noch lange keinen gerichteten Vortrieb (wie weit oben schon geschrieben, wegen der Impulserhaltung)

Herzliche Grüße

MAC
 
Zuletzt bearbeitet:

pauli

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Hier stelle ich mein interstellares Raumschiffkonzept mit der angewendeten Physik und Mathematik vor.
Bilder dazu sind per E-mail möglich.

Meine Anforderungen an ein interstellares Raumschiff:
Es muss sehr leicht, schnell, bezahlbar und sehr stabil für eine sehr hohe Beschleunigungen sein.

Die Beschleunigung, Raumschiffmasse, spezifischer Impuls beinflussen die Flugzeit
im Raumschiff entscheident.
Dadurch ist ein Trägheitsdämpfer für die Astronauten notwendig.

Die Reaktionsmasse und Energie für das Raumschiff in einem ist der Raum mit der kosmischen Teilchenstrahlung selbst bzw.
die Anwendung der Astrophysik.
Das Raumschiff wandelt die Teilchenstrahlung direkt in einen nach außen gerichteten spezifischen Impuls um.

Gruß,
Jens
So ein ausgefeiltes Raumschiffkonzept kriegt nur noch der Pop-Titan in einer Pinkelpause bei DSDS hin

Gruß
Naddel
 
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