Interstellare
Raumfahrt
Eine Theorie existiert
nur in unserer Vorstellung und besitzt keine andere Wirklichkeit, was immer das
auch bedeutet. Stephen W. Hawking (
Eine kurze Geschichte der Zeit )
Eine Theorie ist ein
Modell, eine Vorstellung über irgendetwas, zum Beispiel, die Bewegungen von
Massen durch die Raumzeit. Viele Science Fiction Romane und Serien, wie Star
Trek oder Babylon 5 enthalten Vorstellungen über zukünftige Ereignisse oder
Vorgänge, die nicht unmittelbar beweisbar sind.
Eine Phantasie
Vorstellung, wie das Beamen von Menschen, kann zu einer ganz realen anderen
Entdeckung führen, dem Beamen von Photonen über große Distanzen. Die Idee des
Warpantriebes, könnte zu einer Raumfahrt Technologie führen, mit der es möglich
sein kann große Distanzen im Weltraum in einer für Menschen annehmbaren Zeit
zurück zulegen.
Um eine Theorie auf die
Ebene der Wirklichkeit zu heben, muss eine Vorstellung durch Beobachtung,
Messung, Experimente, Gedanken Experimente oder durch logischen Schluss auf der
Grundlage älterer Erkenntnisse überprüft werden. Finden sich keine Hinweise für
den Wahrheitsgehalt einer Theorie, ist sie entweder unbeweisbar oder erst in der Zukunft durch
verbesserte Technologien beweisbar.
In Jahrhunderten könnte
der Traum, diesen Planeten zu verlassen um auf dem Mars, einigen Monden des
Sonnensystems, auf bewohnbaren Planeten, die um ferne Sterne kreisen
auszuwandern, Wirklichkeit werden. Wissenschaftler, Abenteurer, Touristen, Menschen die etwas Neues suchen,
würden sich auf eine Reise ins Unbekannte begeben. Die Reisenden an Bord eines
großen Raumschiffes, das Ähnlichkeit mit Raumschiffen aus der Serie Star Trek
besitzen müsste, würden auf unerforschte Sonnensysteme, Lebewesen, rätselhafte Zivilisationen
treffen.
Alpha Centauri in 4,3
Lichtjahren Entfernung, könnte bis zum Ende des 21. Jahrhunderts, das
Ziel einer unbemannten Raumsonde sein. Die Sonde
könnte in der Erdumlaufbahn, in einer ringförmigen Raumstation durch
Menschen und Roboter gebaut werden. Eine ringförmige Raumstation erzeugt durch
ihre Rotation, nach außen eine künstliche Gravitationskraft, die zum Zentrum
hin schwächer wird. Wissenschaftler, Ingenieure, Techniker könnten in einem
künstlichen Gravitationsfeld unter erdähnlichen Bedingungen leben und arbeiten.
Um die Distanz zu Alpha
Centauri zu überwinden, benötigt das Raumschiff einen Leistungsstarken
Antrieb, der es auf einige Prozent der Lichtgeschwindigkeit beschleunigt. Mögliche
Technologien sind der Ionenantrieb, ein Fusionsantrieb, die Kombination aus
Laser und Sonnensegel und die Zerstrahlung von Materie – Antimaterie.
Ionentriebwerke
funktionieren nur im Weltraum. Ionisierte Teilchen werden durch ein Magnetfeld
beschleunigt, strömen aus einer feinen Düse, wodurch eine Schub erzeugt wird. Die Raumsonde Deep Space 1, die zwischen 1999 und 2001 den
Asteroiden Braille und den Kometen Borrelly erforschte, erreichte eine Geschwindigkeit von mehr als 16
km/s. Um die Distanz zu Alpha Centauri im Zeitraum eines Menschenlebens zu
überwinden, ist eine Geschwindigkeit von mehr als 8% der Lichtgeschwindigkeit
erforderlich. Wenn die
Ausströmungsgeschwindigkeit der ionisierten Teilchen durch ein stärkeres
Magnetfeld und eine längere Beschleunigungsstrecke erhöht wird, ist eine höhere
maximale Geschwindigkeit möglich.
Raumschiffe in
ferner Zukunft könnten ihre Beschleunigungsenergie durch die Zerstrahlung von
Materie und Antimaterie erzeugen. Protonen und Antiprotonen würden in einen
Linear- oder Kreisbeschleuniger durch ein starkes Magnetfeld auf eine hohe
Geschwindigkeit beschleunigt. Beide Materieströme würden in eine Materialisationkammer
gelenkt, in der Materie und Antimaterie in Gammastrahlung und andere Partikel
zerstrahlt. Gammastrahlung und Partikel strömen aus einer feinen Düse, erzeugen
eine Beschleunigung mit der mehr als 50% der Lichtgeschwindigkeit möglich sind.
Eine Sonde durchquert
vom Startpunkt Erde bis zu ihrem Ziel Alpha Centauri einen Raum der durch die
drei Koordinaten (x, y, z) definiert ist und benötigt zum Zielpunkt die Zeit
(t).
Allgemeine Relativitätstheorie
|
Die Gravitation ist die Krümmung der Raumzeit. Ein
Gravitationsfeld ist die Krümmung der Raumzeit durch das Einwirken von Masse oder
Energie. Die Verteilung von Masse, Energie
hat Auswirkungen auf die
Zeit und auf die Raumgeometrie. Extreme Masse oder
Energien verringern die
Abstände zwischen entfernten Orten im Universum, oder kontraktieren den Raum
(Neutronensterne
Schwarze Löcher, Wurmlöcher). Neben der Gravitation als
anziehende Kraft, ist eine Antigravitation als abstoßende Kraft möglich.
Spezielle Relativitätstheorie
Die Vakuums Lichtgeschwindigkeit ist die absolute
Grenzgeschwindigkeit, die von Materie Teilchen und
Objekten mit Masse nicht erreicht
werden kann. Elektromagnetische und Gravitationswellen breiten sich
mit Lichtgeschwindigkeit
aus, benötigen Zeit um Distanzen zu überwinden, wodurch
jeder Blick ins Universum, ein Blick in
die Vergangenheit ist.
Die Masse eines Raumschiffes nimmt bei der Annäherung an die
Lichtgeschwindigkeit extrem zu. Um auf Lichtgeschwindigkeit zu beschleunigen
würde unendliche Energie erforderlich sein. Das Kausalitätsprinzip schließt Überlichtgeschwindigkeit
aus, weil sich ein Raumschiff nicht relativ zu einem Beobachter mit
Unterlichtgeschwindigkeit, rückwärts durch die Zeit, in die Vergangenheit bewegen kann.
|
G. Galilei und I. Newtons
Theorien beschreiben ein dreidimensionales Universum mit den drei
Raumkoordinaten, in dem ein Objekt eine Strecke in der
nichtveränderlichen Zeit (t) zurücklegt.
x1=x0 + (v * t)
(m)
s1=s0 + ((a*t2)/2) (m)
Durch die Bewegungen
eines Objekts verändern sich die Raumkoordinaten. Die Zeit bleibt überall,
unabhängig von den Bedingungen im Universum gleich.
Albert Einsteins (1879 –
1955) spezielle- und allgemeine Relativitätstheorie vereinigt die drei
Raumkoordinaten mit der Zeitkoordinate zur vierdimensionalen Raumzeit. Die Raumzeit ist die
reale Struktur des Raums im Universum. Die Struktur der Raumzeit in einen
bestimmten Punkt ist abhängig von der Verteilung von Masse oder Energie.
Zunehmende Masse oder
Energie krümmt die Raumzeit und verstärkt die Wirkung der Gravitation. Mit
zunehmender Gravitationsfeldstärke werden relativistische Effekte bemerkbar. Zeitabläufe,
Länge, Masse und Energie ändern sich zwischen Beobachtern mit unterschiedlichen
Geschwindigkeiten.
Der Lauf der Zeit wird
mit Atomuhren gemessen. Mit zunehmender Gravitationsstärke gehen Atomuhren
langsamer. Dies ist messbar durch einen geringen Zeitunterschied zwischen einer
Atomuhr an Bord eines Satelliten und einer Uhr auf Meereshöhe. Der geringe
Zeitunterschied muss bei der Positionsbestimmung auf der Erdoberfläche berücksichtigt
werden.
I. Newtons
Bewegungsgesetze gelten nur für kleine Geschwindigkeitsbereiche in denen es
nicht nötig ist, die Gleichungen der Relativitätstheorie anzuwenden. In unserer Welt mit geringer
Gravitationskraft und geringen Geschwindigkeiten können wir keine
relativistischen Effekte wahrnehmen.
Das Gravitationsgesetz
und die Bewegungsgesetze beschreiben die beobachtbare Welt äußerst genau und
erwecken den Eindruck in einer dreidimensionalen Welt zu leben, in der die Zeit
immer gleich vergeht.
Das Modell eines idealen
dreidimensionalen Newton Raums mit absoluter Zeit könnte als Bezugssystem
betrachtet werden. Relativ zu diesem Bezugssystem bewegt sich ein Raumschiff
mit zunehmender Geschwindigkeit durch den realen vierdimensionalen Raum.
Der Lorenz Faktor β =
Wurzel(1-(v2/c2)) gibt einen Wert an, für das Verhalten
eines bewegten Objekts im Verhältnis zur Lichtgeschwindigkeit. β ermöglicht den
Vergleich zwischen dem Modell eines dreidimensionalen Universums und dem realen
vierdimensionalen Universum.
Neben Masse und Energie
sind Gravitation und Beschleunigung in ihren Wirkungen nicht unterscheidbar.
Mit zunehmender Geschwindigkeit vergrößert sich die Zeitdehnung zwischen einer
Atomuhr auf der Erde und einer Uhr im Raumschiff.
Die Atomuhr
auf der Erde ist das relativ ruhende Bezugssystem t0=1, die Uhr im
Raumschiff das bewegte System t1. Mit dem Faktor β wird die
relativistische Zeit im bewegten System ermittelt:
t1 = t0 /Wurzel(1-(v2/c2))
(s)
Im relativ ruhenden
System auf der Erde erhalten alle physikalischen Größen ( Zeit, Masse, Energie,
Länge ) den Wert 1, der mit einem bewegten System verglichen wird. Aus der
Teilung des allgemeinen Wertes 1 durch β ergibt sich der Raumkrümmungsfaktor
γ.
γ = 1/ Wurzel(1-(v2/c2))
Mit dem Wert γ können
alle relativistischen Erscheinungen beschrieben werden.
In einem idealen 3D
Newton Raum überwindet ein Raumschiff mit der Beschleunigung (a) in der
gleichmäßig zunehmenden Zeit (t) die Distanz:
3D: s1=s0
+ ((a*t2)/2) (m)
Der 3D Raum ist das „ruhende
Bezugssystem“, mit absoluter Zeit. Der 4D Raum ist das veränderliche System.
Das Raumschiff bewegt sich im 4D Raum relativ zum nichtveränderlichen 3D Raum. Durch
die Zeitdehnung benötigt das Raumschiff weniger Zeit die Distanz zu Alpha
Centauri zu überwinden.
4D: s1=s0 + ((a*t2)/2) / 1/ Wurzel(1-((a*t)2/c2))
(m)
Für eine unbemannte
Sonde sind die Folgen relativistischer Effekte unbedeutend. Anders für bemannte
Raumfahrer. Abhängig von Geschwindigkeit und Reisedauer kann es sein das an
Bord eines Raumschiffes nur einige Jahre, auf der Erde aber
Jahrhunderte oder Jahrtausende vergangen sind.
Das Star Trekk
Raumschiff Enterprise bewegt sich mit Warp Antrieb ohne Zeitdehnung durch das
Universum. Der Weltraum durch den sich ein Raumschiff bewegt ist ein Vakuum,
mit einer geringen Materiedichte. Wenn Masse oder Energie auf ein
Raumvolumen einwirkt, nimmt die Raumkrümmung zu. Ein Raumvolumen zieht
sich zusammen oder dehnt sich aus.
Nur extrem große Massen
erzeugen eine messbare oder beobachtbare Raumkrümmung. Die Gravitationskraft
der Sonne kann das Licht entfernter Sterne krümmen, wodurch sich ihre
Positionen verschieben, beobachtbar bei einer totalen Sonnenfinsternis.
Die Masse der Sonne lässt
sich auf Grund der Äquivalenz von Masse und Energie in Energieeinheiten
umwandeln. Diesen Energiebetrag müsste ein Raumschiff erzeugen um eine schwache
Raumkrümmung in Bewegungsrichtung zu erzeugen. Durch die Raumkrümmung verkürzt
sich Punkt für Punkt die Strecke zu einem Ziel, möglicherweise mit Abschwächung
der Zeitdehnung. Noch größere
Energiebeträge vergrößern die Raumkontraktion. Es ist fraglich in wieweit dies
technisch möglich oder völlig unrealistisch ist.
Der Materie – Antimaterie Reaktor
In den fünfziger Jahren
beschrieb der Luft und Raumfahrt Ingenieur Eugen Sänger (1905 – 1964) das
Konzept eines Photonenantriebs für interstellare Raumreisen.
Literatur: Zur Mechanik
der Photonen Strahlenantriebe 1956
http://www.de.wikipedia.org/wiki/Eugen_Sänger
Vor mehr als einem
halben Jahrhundert waren viele heutige Kenntnisse auf dem Gebiet der
Elementarteilchen Physik völlig unbekannt. Im 21. Jahrhundert ist es möglich
Antimaterie zu erzeugen und extrem kurzzeitig unter magnetischen Abschluss zu
lagern.
E. Sängers Konzept eines
Materie – Antimaterie Reaktors besteht aus zwei voneinander getrennten Materie
und Antimateriequellen. Beide Materiearten werden in einen Reaktor gelenkt, wo
die Zerstrahlung in Gammastrahlung und Neutrinos stattfindet. Ein
Fluresenzstoff zum ausstrahlen
sichtbaren Lichts wird angeregt. Die Lichtstrahlen werden zu einem Reflektor
gelenkt und durch feine Düsen abgestrahlt. Die abgestrahlten Photonen erzeugen
den Schub eines Raumfahrzeuges.
Die Entwicklung des
Ionenantriebs beweist, das Strahlungstriebwerke im Vakuum funktionieren und ein
Raumschiff beschleunigen können. Ein Materie – Antimaterie Antrieb ist
gleichsam ein Strahlungsantrieb, bei dem Protonen (p+) und Antiprotonen (p-) in
Gammastrahlung und Partikeln zerstrahlen und die ausströmenden Teilchen einen
Schub erzeugen.
Das größte Problem ist
die Erzeugung und Lagerung von Antimaterie. Eine sichere Lagerung ist nur in
einem abschirmenden Magnetfeld, das jeden Kontakt mit Materie verhindert möglich.
Eine andere Möglichkeit ist, die kurzzeitige Erzeugung von Antimaterie, die
umgehend durch eine magnetisch abgeschirmte Beschleunignungsstrecke in eine
Materialisationskammer gelenkt wird und dort mit Materie zerstrahlt. Die Beschleunigungsstrecke
würde einem Linear- oder Kreisbeschleuniger
ähneln. Die
Strahlungspartikel strömen mit fast Lichtgeschwindigkeit aus feinen Düsen und
erzeugen einen Schub.
|
Vielleicht dauert es
noch Jahrhunderte aber viele heutige Kenntnisse deuten auf eine hohe
Wahrscheinlichkeit hin, das eine Raumfahrt Technologie die zu fernen Sternen
und Planeten führt möglich ist.
|
Raumschiff
Antiebsenergie
Chemischer
Raketenantrieb
Saturn 5, Ariane,
Space Shuttle, Sojus
Die Verbrennung
von Sauerstoff und
Wasserstoff oder Methan erzeugt
einen Schub auf 10 km /s
Atomenergie
Der Zerfall schwerer
Elemente in leichte
Elemente setzt große Energiemengen frei,
die ein Raumschiff auf
mehr als 100 km/s beschleunigen könnte.
Laser
Im Weltraum
stationierte Sateliten könnten durch Umwandlung von Sonnenenenergie Laserstrahlen erzeugen,
die auf
ein Raumschiff
gelenkt würden. Möglicherweise könnten
einige Prozent der
Lichtgeschwindigkeit erreicht werden.
Ionenantrieb
Raumsonde
Deep Space 1
Ionisierte Teilchen strömen aus
einer feinen Düse und erzeugen
einen Schub auf mehr als 16
km/s bis einigen
tausend km /s
Fusionsantrieb
Die Verschmelzung von Atomen
setzt eine
Energiemenge frei, mit der eine Geschwindigkeit von einigen
zehntausend km/s möglich
sein könnten.
Materie-Antimaterie
Protonen und Antiprotonen zerstrahlen in Gammastrahlung
und Partikeln. Die ausströmenden Teilchen erzeugen den Schub zum Erreichen von
Geschwindigkeiten nahe der Lichtgeschwindigkeit.
Materie - Antimaterie
Fusion
Protonen verschmelzen zu Helium, Antiprotonen zu Antihelium. Durch die Zusammenführung der Plasmas beider Fusionskreisläufe,
würde wahrscheinlich eine gigantische Energie zu Verfügung stehen,
die das
Erreichen weitentfernter Ziele innerhalb der Milchstraße ermöglichen würde.
|
Reise
nach Alpha Centauri
Tabellen
Daten und Gleichungen
c=299
792,458 km/s
1
Jahr = 365,25 Tage = 31 557 600 s
1
Lichtjahr = 9,4607 E+12 Km
Alpha
Centauri = 4,3 Lichtjahre = 4,0681 E+13 Km
Raumschiff
Masse m0 = 10 000 Tonnen
Rel. Massezuwachs:
m1=m0*γ (T)
Lorenz Transformation γ=1/sqr(1-(
v2/c2))
Zeitdehnung t(1)=t(0) / γ [s]
Galileo Transformation X(1)=X(0) + (v*t)
[m]
Newton Translation
V=a*t [m/s], s=(a*t2)/2
[m], t=sqr(2s/a) [s]
Relativistische Gleichung s1=
s0 + (a*t2)/2))/1/sqr(1-((a*t)2/c2)) [m]
v (km/S) |
γ |
t0(3D) Jahre |
t1(4D) Jahre |
m1 |
Chemischer
Raketenantrieb (Saturn5, Ariane, Sojus, Space Shuttle) |
10 |
1,0000000006 |
128911 |
128910,8 |
10.000,000006 |
Ionenantrieb
(Raumsonde Deep Space 1 ) |
16 |
1,000000001 |
80569 |
80569,2 |
10.000,000014 |
Atomenergie |
100 |
1,000000056 |
12891,08 |
12891,07 |
10.000,000556 |
Laser - Sonnensegel |
9000 |
1,00045 |
143,23 |
143,17 |
10.004,51 |
Fortgeschrittener
Ionenantrieb |
30000 |
1,005 |
42,97 |
42,75 |
10.050,45 |
Kernfusion |
85000 |
1,043 |
15,17 |
14,54 |
10.427,93 |
Materie -
Antimaterie |
150000 |
1,15 |
8,6 |
7,4 |
11.549,67 |
225000 |
1,51 |
5,7 |
3,8 |
15.132,06 |
280000 |
2,80 |
4,6 |
1,6 |
27.985,60 |
290000 |
3,94 |
4,4 |
1,1 |
39.448,02 |
Materie Fusion +
Antimaterie Fusion |
v (km/S) |
γ |
t(3D) Jahre |
t(4D) Tage |
|
295000 |
5,6 |
4,37 |
284,25 |
56.151,17 |
299000 |
13,8 |
4,31 |
114,42 |
137.624,08 |
299790 |
246,9 |
4,30 |
6,36 |
2.469.478,81 |
299792,45 |
4328,6 |
4,30 |
0,36 |
43.286.289,91 |
http:www.journeytospace.de
|