Der Erde entfliehen, was für ein Thema...

Zur Zeit spinnen die amerikanischen Oligarchen wie Elon Musk oder Jeff Bezos das Märchen, zum Mars zu fliegen. Hier versuche ich einmal eine ernüchternde Betrachtung. Interessanterweise finden sich derartige Argumente auch im Artikel Ionenantrieb, die Zukunft interplanetarer bis interstellarer Raumfahrt? des Astro-Info-Wikis, im Artikel Zukünftige Antriebe für die Raumfahrt  von Bernd Leitenberger, oder im Blog von Michael Kahn  Ionenantrieb – der Schlüssel zum Sonnensystem? sowie als Dossier "Interstellare Raumfahrt: Ist ein Flug zu den Sternen machbar?" von scinexx und vielen weiteren Quellen. Wikipedia mit dem Artikel "Interstellare Raumfahrt" ist hier eher inhaltlich dünn.

(Bild: Wikipedia)

Klar versuchen da viele Trittbrettfahrer ein emotional beladenes Thema zu nutzen, um sich persönlich mit staatliche Fördermitteln zu bereichern, oder Ruhm und Ehre zu erlangen. (Pleite von "Mars One", Aktivitäten von OTRAG etc.) Andere kann man nur als Spinner bezeichnen, die jenseits physikalischer Realitäten Wunschvorstellungen über den schnellen Flug zu den Sternen als Wahrheit verkaufen wollen. (siehe "EM-Drive")  Nicht zu unterschätzen ist der militärisch-industrielle Komplex mit seinen Interessen bezüglich der militärischen Raumfahrt, die "Sternenflotte" als Ausdruck des zu den Sternen getragenen Tribalismus nicht nur der Amerikaner. Es gibt einige Hinweise auf intensive Interventionen der Amerikaner, die Raketenforschung in Europa, speziell in Deutschland zu sabotieren und zu lenken. Auch mittels Exportkontrolle wird das Wissen hier wie dort eingeschränkt, kontrolliert und unterdrückt. Ich fand zunächst kaum einen realistischen Ansatz die bestehende Technik zu bewerten und den aktuellen Stand gegen Machbarkeit zu spiegeln. Es ist eben verbotene rocket science. Mir fehlt eine Abgrenzung von Science Fiction wie die Abadon-Serie (Review Heise: The Expanse) oder Star Treck zu tatsächlich erwartbaren interplanetaren Raumschiffverkehr. Nachdem ich die ARTE-Serie entdeckt habe ARTE: Leben im All / Unterwegs zu einem neuen Planeten konnte ich ertmals einer halbwegs realistischen Darstellung durch die Wissenschaftler folgen. Auch hier sind aber theoretische und praktische Sollbruchstellen eingebaut, die eher den Unterhaltungswert steigern, als eine realistische Utopie darstellen. Daher versuche ich selbst eine Einschätzung.

Welchen Antrieb nehmen?

Die Anforderung:

Wir wollen mit wenig Aufwand viel Nutzlast möglichst stark beschleuninigen und wieder abbremsen. Dazu muss man mit wenig Treibstoff (Masse, genannt Stützmasse) viele Jahre, eher Jahrzehnte Antrieb garantieren und dabei einen möglichst hohen Schub sicherstellen. Wie soll das gehen? Ich betrachte dazu einige der heutigen Möglichkeiten.

Chemische Antriebe

Chemische Antriebe sind Energie- und Masseverschwender, nur für kurze Zeit einsetzbar. Zwar liefern sie kurzfristig einen hohen Schub, aber zu einem hohen Preis, sie halten nicht lange. Die chemische Energie ist auch nicht besonders hoch, im Gegensatz zu anderen Energiequellen. Der Vorteil ist der hohe Masseausstoß und damit ein großer Vortrieb. Um es auf den Punkt zu bringen: Es fehlen Tankstellen im Weltraum.

Kaltgas-Antriebe

Kaltgas-Antriebe sind die winzigkleinen Brüder der chemischen Antriebe. Sie haben einen noch schlechteren Wirkungsgrad, da die thermochemische Beschleunigung fehlt. Es wird ausschließlich mit der geringen thermischen Energie des austretenden Gases beschleunigt. Wir haben auf die Dauer einen hohen Masseverlust für sehr wenig Schub. Auch hier: Es fehlen Tankstellen im Weltraum.

Atomantriebe, Fusionsantriebe:

Gibt es nicht. Noch lange nicht. Bleibt bis auf weiteres Science Fiction. Genau so wie Antimaterie-Antriebe oder Alcubierre-Antriebe oder Warp-Antriebe oder was auch immmer gerade so "en vogue" ist. Besonders spannend stelle ich mir da auch einen wirksamen Strahlenschutz für derartige Antriebe vor. Hochabschirmend, massearm, klein. Es wird gerne von der Fusionsflamme gefaselt, oder vom Atomantrieb mit gigantischem Ausstoß. Derzeit fehlt die Technik, derartig heißes Plasma zu bändigen und kontrolliert als Strahl gerichtet kontinuierlich austreten zu lassen. Gleichzeitig wollen wir ja auch das reaktive spalt- oder fusionierbare Material nicht verlieren. Es wären darüber hinaus richtig schmutzige Antriebe, die mit radioaktiven Isotopen im Abgas hinter sich alles verstrahlen, einschließlich der Antriebseinheit selbst. Zwar sind derartige fusions- oder fissionsgetriebene Plasmaantriebe durchaus vorstellbar, aber technisch in weiter Ferne von heute, Anfang des 21. Jahrhunderts aus gesehen. Siehe Artikel von Reuters "Russia says radiation levels rose by 4-16 times in city after accident: TASS" über einen vermutlich missglückten militärischen Atomantrieb.

Auch die von Frank Schätzing in seinem Roman aufgebrachte Helium3 - Deuterium-Fusion finde ich überaus unglaubwürdig. Die dafür nötige Infrastruktur, den Mond zu pflügen um das Helium3 zu ernten ist eher Wunsch statt machbare Realität.

Wenn ich einen derartigen Antrieb skizzieren müsste, wäre mein Vorschlag ein Fusionsreaktor, dessen Energie ein Treibstoff-Plasma aufheizt, dass dann (siehe weiter unten) über ein Ionenstrahltriebwerk dem Vortrieb dient. Wir werden vermutlich im ersten Schritt aber eher einen Fissionsreaktor nutzen, also einen heute üblichen Uran-Kernspaltungsreaktor und diese an den Weltraum als Primärenergielieferant anpassen. Dazu später mehr.

Strahlungsantriebe:

Aktive Strahlungsantriebe sind ebenfalls derzeit ein Märchen aus der fernen Zukunft. Man benötigt für den Stahlungsdruck durch Photonen unglaublich viel Energie, also Fusionsreaktoren im Multi-Gigawattbereich für ein paar Newton Schub. Wirklich abseitige Vorstellungen zeigt der Artikel Gravitationsschleuder für interstellare Reisen auf Telepolis von Heise. Ein Strahldruck, der richtig beschleunigt, wird von einem Strahl ausgelöst, der eh schon alles an Materie zerstrahlt, was sich in den Weg stellt. Wie kann ein Raumschiff selbst  die Photonen erzeugen? Ebenfalls absurd der Vorschlag aus dem Artikel "Laserschub für Raumschiffe In 30 Minuten zum Mars" vom Spiegel. Da wird mit Gigawatt für Laser im Weltraum nur so um sich geworfen. Wohlgemerkt mit der Ausgangsleistung. Kurze Frage an die Phantasten: welches Spiegel-Material hält so eine Strahlenbelastung aus, wie groß und wie schwer ist so ein Spiegel? Wer baut die hunderte Atomkraftwerke für den Betrieb?

Die Idee mit passiven Strahlungsantrieben in Form von Reflektoren, die den Vortrieb generieren ist sicher theoretisch gut zu durchdenken, aber ich stelle mir hier auch die Frage nach leichten (!) weltraumtauglichen Sonnensegeln bzw. Laser-Segeln. Man benötigt eine irre große Fläche um den geringen Strahlungsdruck nutzen zu können. Ein Navigieren oder Ändern des Kurses ist kaum möglich. Und weiter weg von Sonnen mangelt es an Strahlungsdruck. Das Märchen vom lasergetriebenen Segel klappt vielleicht interplanetar, dann, weiter weg fächert der Strahl durch das nicht perfekte Vakuum als Medium unweigerlich auf. Die Lasersegel müssten aus dünnsten, eventuell einlagigen atomaren Stütz-Schichten bestehen, vielleicht Graphen oder ähnlich, dann noch ein reflektierendes Medium, dass aber verlustbehaftet ist. Was dann fehlt, ist die Entwärmung der aufgeheizten Segelschicht. Bei geplantem hohem Strahlungsdruck muss ein Kühlgeflecht die Wärme abtransportieren. Je blauer das Licht, desto energiereicher, aber auch zerstörerischer für das Segel. Da kommt dann ein Gegendruck aufgrund der Wärmestrahlung auf der Rückseite zustande, der den Antrieb reduziert. (siehe auch analog hierzu ein Beispiel zur theoretischen Betrachtung einer Dyson Sphäre und Strahlungsdruck). Dann muss das Segel trotzdem langzeitstabil, selbstreparierend in all den Jahren im All und unempfindlich gegen Beschädigungen durch Staub, Gaswolken etc. sein. Dies scheint mir ein Widerspruch zu sein, zu dem ich derzeit keine Lösung sehe, die zu Antrieb mit hoher Kraft führt. Darüber hinaus muss mann die Antriebslaser auch jahrelang, jahrzehntelang (oder noch viel länger) betreiben und aktiv ausrichten.

Futuristische Antriebe mit "Sprungtechnologie"

Bisher fabulieren die SF-Autoren diverse nicht näher beschriebene Technologien zum Raumzeitsprung oder Subraum-Reisen, oder Hyperraum-Reisen, mit dem die Reisezeit abgekürzt werden kann. Was zunächst als rhetorischer Klimmzug begann, hat sich zu pseudowissenschaftlicher Fabulierkunst weiterentwickelt, die jeder technischer Grundlage entbehrt. Selbst die Wurmloch-Reisetheorie ist so wurmig, dass es mich graust. Da beschreibt man den Spaghetti-Effekt, aber ignoriert die Auswirkungen, das Längsdehnen und damit Zerreißen aller materiellen Strukturen völlig. Die Technologie, mit der unmerkbare Schwerkraft-Gradienten im "Reisebereich" des Wurmlochs erzeugt und stabilisiert werden, wurden noch nicht mal thematisiert. Der Warp-Antrieb ist auch so was Schönes. Er braucht dazu eine Art Materie, die es nicht gibt, die wir nicht einmal nachweisen können. Zu den Hyperraum-Antrieben fällt mir nur ein, dass es eher Traumantriebe sind, man wünscht sich so etwas sehnlichst herbei, damit der Wunsch vom Sternenflug nicht an der Realität zerbricht. Natürlich ist es nicht auszuschließen, dass eine neue Technologie mit einem unerwarteten Nebeneffekt irgendwann die Reise zu anderen Sternen erlaubt. Derzeit ist es jedoch reine Phantasterei.

Ionenantrieb:

(Bild: Wikipedia)

Was bleibt übrig, wenn man Einstein (E=mc²) ernst nimmt? Der einzige Antrieb ist der Ausstoß von kleinen Materiemengen mit sehr hoher Geschwindigkeit. Letztendlich ist es der Ionenantrieb, eine besondere Form des Rückstoßantriebs, bei dem die Beschleunigung der Materie über elektrische, magnetische und strahlungstechnische Mittel realisert wird, die nach der Beschleunigung neutralisiert (entladen) wird und deren Beschlunigungsimpuls dann als Reaktionskraft die Antriebskraft darstellt. Wenn man es genau nimmt, sind die derzeit fiktionalen Fusions- oder Atomantriebe ebenfalls in gewisser Weise Ionenstrahltriebwerke, besser gesagt Plasmastrahltriebwerke mit atomarer Heizung. Plasmastrahltriebwerke mit thermisch-atomarer Heizung halte ich für einen generellen Irrweg, weil mit dem Plasma auch sehr viele Teilchen mit geringerer Geschwindigkeit ausgestoßen werden, die dann nicht optimal zum Schub beitragen und als Stützmasse verloren gehen.

Nun kommen wir zu den aktuellen Problemen. Ich will ganz wenig Masse verwenden aber einen großen Gegendruck, meinen Antrieb, erzeugen. Dazu muss ich Teilchen sehr stark beschleunigen. Das kostet richtig viel Energie. Es muss erst einmal die Ionisierungsenergie aufgebracht werden, damit man die Atomkerne überhaupt elektromagnetisch beschleunigen kann. Darüber hinaus benötigt die Beschleunigung der Stützmasse selbst den größten Anteil der Antriebsenergie.

Was wir haben...

Bei aktuellen Ionenantrieben jetzt in 2019 rechnen wir derzeit mit Milli-Newton Schubkraft. Akzeptieren wir das, spiralen wir mit "Leichtraumschiffen" ohne Besatzung von einer Schwerkraftsenke zur anderen in energieoptimierten aber dafür sehr, sehr zeitfordernden Bahnen, alleine im Sonnensystem. Die Zeit haben wir nicht als Menschen, wir altern zu schnell. Wir brauchen daher eher Kilo-Newton um auf anständige Beschleunigungen und Navigationseigenschaften von bemannten Raumschiffen zu kommen.

Lass uns das mal symbolisch rechnen:

Ein ordentlicher Antrieb für ein Triebwerk eines 1000t Raumschiffes (Prognosen aus den 1970er sagen 50.000t, der Arte-Film spricht von 150.000 Tonnen Masse) soll, sagen wir magere 1000 N (1kN) pro Triebwerkseinheit erzeugen. Was nebenbei nur für geringen Schub sorgt. Ich will aber nur wenige Gramm Materie als Antriebsmittel (Stützmasse) pro Minute dafür aufbringen, weniger wäre noch besser, denn wir reisen ja trotzallem Jahre im Weltraum umher.  Bei 1t (1000 kg) Stützmasse hätte ich dann nur ca. 2 Jahre Dauerschub für die Stützmasse im Tank, wenn 1g/min verbraucht würde. Einige Gramm pro Minute heißt also einige tausend Kilo Treibstoff an Bord für Hin- und Rückreise.

Da rechnen wir die Masse praktischer Weise in u um, damit wir für verschiedene Stoffe die nötige Stoffmenge und damit auch die nötige Ionisierungs- und Beschleunigungs-Energie ausrechnen können. Für den Antrieb ist es physikalisch egal, welchen Stoff man verwendet. Chemische Verbindungen muss man erst "knacken" um dann ein Element anschließend zu ionisieren. Einen elementaren Feststoff muss man erst verdampfen und dann ionisieren um ihn anschließend beschleunigen zu können. Dann wähle ich (und der Rest der Welt derzeit) als Kompromiss Gas wegen der besseren leichteren Ionisierbarkeit, und einfacheren Handhabung. Xenon als Edelgas ist eine gute Wahl, da es das schwerste (massereichste) nichtradioaktive Edelgas ist. (Quecksilber wäre auch so was Spannendes als Alternative, dazu später mehr) Zur Masse: durchschnittlich 131,293u pro Atömchen wegen des Isotopengemischs. Mit 1 u = 1,660 539 040 ( 20 ) ⋅ 10 − 27 k g kann man nun ausrechnen, wie viele Xenon-Atome (rund 4,59*1021), oder besser wie viel mol das sind (0,007616730447618 g/mol), das brauchen wir für die Ionisierungsenergie. Man benötigt 1170,4 kJ/mol für das erste Ionisieren und damit 0,894204155 kJ/g, also 0,248390043 kWh pro Gramm, alles ohne Verluste gerechnet. Das war der leichte und energiearme Teil.

Also wird das kalte Xenon-Gas erwärmt und ein Gas-Strom wird ionisiert. Die Gas-Ionen werden dann elektrisch beschleunigt und magnetisch fokussiert. Auch dafür gibt es derzeit keine ordentliche Ionenbeschleuniger. Theoretisch reden wir von derzeit 200km/h Ausstoßgeschwindigkeit, das liegt um etliche Größenordnungen unter dem benötigten Wert von 0,999995c = 299.999 km/s.

Nun zur Beschleunigungsenergie.

Energie Teilchen Formel Relativistisch

Eine Verdoppelung der Austrittsgeschwindigkeit einer bestimmten Masse erfordert die vierfache Energie.

Wir betrachten das Raumschiff feststehend und den Raumschiffimpuls als Null, dann fragen wir nach der Reaktionskraft durch die beschleunigten Ionen. Derzeit haben wir 210 km/s für ein DSG4 -Ionenantrieb. Wir brauchen aber ein 1000-faches davon, also einen nennenswerten Anteil der Lichtgeschwindigkeit (hier wäre das mit ca. 300.000km/s also nahe 1c) als Austrittsgeschwindigkeit, damit der Impuls für den Rückstoß etwas "bringt". Was kostet es also an Energie, ein Gramm auf diese Geschwindigkeit zu beschleunigen? Und welchen Schub bringt das dann, immer noch unter der Bedingung 1g pro Minute?

Ein Blick auf die Gleichung:

{\displaystyle E(v)={\frac {m\,c^{2}}{\sqrt {1-{v}^{2}/c^{2}}}}.}

Mit v/c = 0,9999995 erreicht man eine Massezunahme von etwa 1000. D.h. mit einem Gramm kann man eine Ausstoßleistung von ein Kg/s erzeugen, wenn man auf nahezu Lichtgeschwindigkeit beschleunigt. Das wäre ein toller Vortrieb.

Ein Elektronenvolt, kurz: 1 eV entspricht 1,6022·10-19 Joule. Die Ruhemasse eines Elektrons beträgt 511 keV, die eines Protons 938 MeV.

Ein Xenon-Atom benötigt dann 1,6022·10-19 Joule/u * 131,293u 

Pro 1g haben wir 4,59*10^23.

Da wir die Molmasse von Xenon und die gewünschte Endgeschwindigkeit kennen, kann der Energiebedarf pro mol berechnet werden. Der ist unabhängig von der Ionisierungshöhe.

Multiplizieren wir das, erhalten wir den Energiebedarf für 1g pro Minute: 4,59*10^23 * 1,6022·10-19 Joule/u * 131,293u = 90,5 TJ/min (Terra Joule)

Um die elektrische Leistung zu berechnen, rechnen wir das auch gleich in Stunden um: 90,5 TJ/min * 60 = 5,43 * 10^15 J = 5,43 *10^15 J/h = 5,43 Exa Watt. Das wäre die elektrische Leistung von 1,2 Millionen (!) der größten Kraftwerke wie das Teishan-AKW. Man braucht also richtig viel Energie. Wo soll die herkommen? Antimaterie-Kraftwerke haben wir noch lange, lange, lange nicht.

Um auf dem Boden der Realität anzukommen, muss man die Beschleunigungsenergie zwar relativistisch betrachten und nach einem Arbeitsbereich suchen, der noch hinreichend Vortrieb gibt, aber genügend unterhalb von 1c ist, um den Energiebedarf auch aufbringen zu können. Eine Massezunahme von 1000 ist energetisch derzeit nicht erreichbar.

Wie kann man das technisch realisieren? Es sieht derzeit eher nach einem langen Antriebsstrang mit hohem Energiebedarf aus. Man benötigt zwei Teilchenbeschleuniger, einen für die Elektronen, einen für die Ionen. Es sieht nach einer sehr langen Beschleunigungsstrecke aus, einer Ionenkanone aus einem Ionengenerator und einem ordentlichen linearen Teilchenbeschleuniger. Dieser benötigt zum Betrieb der Magnetfokussierung des Ionenstrahls zusätzlich Energie. Selbst mit Supraleitung wird das mit aktueller Technik ein toll großes und langes Teil. Dabei muss man die Kühlung der Komponenten im laufenden Betrieb sicherstellen, Sonnennah ist das anders und heißer als am Rande oder außerhalb eines Sonnensystems. Leider kann man das LHC-Konzept dafür nicht nutzen, und der Verlust an Bremsenergie im Kreisbeschleuniger in Form von Synchrotron-Bremsstrahlung ist höchst unerwünschter architektonisch bedingter Effekt und energetisch ein extremer Verlustfaktor für den Antriebsfall.

Heutige Teilchenbeschleuniger dienen auch weniger dem Dauerstrichbetrieb, sondern werden auch gepulst betrieben. Für einen Antrieb kommt es auf den Ausstoß pro Zeit und die Austrittsgeschwindigkeit an, damit kann der geeignetste Betrieb gewählt werden, ob gepulst oder Dauerstrich kann egal sein. Bei Pulsbetrieb kommen jedoch zusätzliche Belastungen auf den Antrieb, die entspechende Auslegung muss das berücksichtigen. Denkbar wäre ein dynamischer Pulsbetrieb, bei dem zu gering ionisierte Teilchen vor Austritt herausgefiltert werden, z.B. durch elektromagnetische Filtervorrichtungen, die Teilchen mit hoher Ionisierung schneller beschleunigen und durch ein Tor tragen, als die schwächer ionisierten Teile, die dann z.B. mittels Undulatoren und geeigneten Geometrien im Strahlengang in Fallen abgelenkt werden, um dann als neutralisiertes Gas wieder verwendet zu werden. Problem: Der Wirkungsgrad sinkt wieder durch die abgebremsten unvollständig ionisierten Teilchen. Alternativ kann man die Teilchen rechtzeitig trennen und neutralisieren, bevor sie viel Beschleunigungsenergie aufgenommen haben. Oder man muss das kombinieren, um die Masseverluste nicht genügend beschleunigter Materie zu reduzieren.

Für die Elektronen benötigt man für 0,9c damit ca. 130kV  (Siehe relativistischer Rechnung für Elektronenbeschleunigung)   da ab 10% der Lichtgeschwindigkeit relativistisch gerechnet werden muss. Für Ionen gelten andere Regeln. Die Ladung Q kann man ebenfalls berechnen,das hängt aber von der Ionisierungsenergie ab. je höher ionisiert ist, desto leichter lässt sich das Ion beschleunigen. Ein großes Problem dabei ist die Rekombination mit freien Elektronen aus dem Plasma. Bisher wurde pragmatisch einfach über die Plasmatemperatur die Anzahl der hochionisierten Ionen gesteigert, es entsteht aber ein Mischungsverhältnis aus wenig geladenen und stark geladenen Ionen, die dann durch den Beschleunigungskanal laufen und zu unterschiedlichen Austrittsgeschwindigkeiten führen. Das ist eher unerwünscht, weil es den Wirkungsgrad des Antriebs drastisch senkt. Ziel muss also sein, hochionisierte Ionen zu erzeugen, diese ohne nennenswerte Rekombination auf damit verkürzten Beschleunigerstrecken auf einen Betrag nahe der Lichtgeschwindigkeit zu beschleunigen und erst nach dem Austritt mittels Elektronenstrahlen elektrisch zu neutralisieren.

Wie viel Beschleunigung ist pro Meter im Linearbeschleuniger möglich? Hier greifen die physikalischen Grenzen der Hochspannungsphysik, bei rein elektrischer Beschleunigung kommt es irgendwann zum Durchschlag. Nun gibt es dazu die Kielwellen-Beschleuniger, die ganz erstaunliche Ergebnisse pro Meter Beschleuniger bringen. Jedoch ist der Energiebedarf dazu irre hoch, um Größenordnungen höher als bei den Standard-Linearbeschleunigern, da erst z.B. mit Lasern Plasma vorgeheizt werden muss, und dann mit einer weiteren Laserstoßwelle die Kielwelle induziert wird. Das ist nicht ausgereift für einen Antrieb, aber es ist ein Hoffnungsschimmer der Machbarkeit in ferner Zukunft

Nach der Beschleunigung auf einen möglichst hohen Wert neutralisiert man die Ionen mit den vorher abgetrennten Elektronen gleich hinter dem Antrieb. Die Ionisations-Energie ist eine Hilfsfunktion, die der Antrieb bereitstellen muss. Dieser Energieverlust ist vernachlässigbar gegenüber der Beschleunigungsenergie. Die bei der  Beschleunigung der Ionen auftretende Gegenkraft ist der eigentliche Antrieb, die beschleunigten Elektronen haben keine nennenswerte Masse und tragen daher nicht relevant zum Antrieb bei.

Selbst wenn man mit Laser und EM-Beschleunigungssystemen arbeitet, wird zwar die Beschleunigungsstrecke kürzer, aber die verwendete Energie nimmt deutlich zu. Ein Beispiel ist der HELICON Plasmathruster, aber Zitat "HTP propellant utilization is measured, 20% at 900 W and 1.5 mg/s of Argon. -  HPT thrust efficiency is indirectly estimated about 2.9%, at 500 W and 1.5 mg/s of Argon." das ist bezüglich des Wirkungsgrads noch völlig unbrauchbar. hochgerechnet sind das mal 1000 derartige Thruster für die 1,5g/s mit 500.000 W (0,5 Gigawat) mit 2,9% Wirkungsgrad, und nur 20% der Stützmasse wird auch als Antriebsmasse beschleunigt (0.3g), der Rest "dampft ab" oder trägt mit sehr viel weniger Anteil zur Beschleunigung bei. Hier ist noch gewaltiges Verbesserungspotential. Die Stützmasse muss zu 99% als Antrieb herhalten, ein Konzept, dass hier mit der Masse schlechter umgeht, taugt nichts. Es gibt keine Tankstellen im All. Der Wirkungsgrad der eingesetzten Energie ist noch viel zu schlecht, hier müssen wir eher auf 90% kommen.

Beim Einsatz von Quecksilber: Das funktioniert ganz genauso. Der Vorteil von Quecksilber ist die einfache Verdampfbarkeit und das hohe spezifische Gewicht. Nachteil ist die Giftigkeit, bei einem Absturz auf die Erde sind ein paar Tonnen Quecksilber kein Vergnügen, vor allem wenn der größte Teil verdampft und verbrennt. Die Stützmassenart ist eigentlich egal, man wählt die Variante mit hohem Atomgewicht, Quecksilber wäre da schon toll.

Nun müssen wir das Ergebnis skalieren:

Wie viel Antriebskraft brauchen wir denn wirklich? Wieder nehmen wir 1000t für die Raumschiffmasse, die Startmasse mit allem Treibstoff. Sehe ich mir die Kraft in Abhängigkeit von der Zeit an, um bestimmte Fluchtgeschwindigkeiten zu erreichen, und damit eine Aussage, wie schnell ich zu Planeten kommen kann, sowie die Berechnung, wie schnell man auf interstellare Reisegeschwindigkeit kommen kann.

Raumschiff - Masse
m [kg]
Antriebskraft
N [kg*m/s²]
Beschleunigung
a [m/s²]
Zeit zum Erreichen der Fluchtgeschwindigkeit
Erde 11,2 km/s [d]
Zeit zum Erreichen der Fluchtgeschwindigkeit
Sonne (von Erde) 16,6 km/s [d]
Zeit zum Erreichen von 1/10c,
nichtrelativistisch 30.000 km/s [a]
Zeit zum Erreichen von 0,6c,
relativistisch, 200.000 km/s [a]
Zeit zum Erreichen von 0,9c,
relativistisch, 270.000 km/s [a]
1.000.000 1000 0,001 129,63 192,13 951,29            9.512,94            12.683,92  
1.000.000 10.000 0,01 12,96 19,21 95,13                  951,29              1.268,39  
1.000.000 100.000 0,1 1,30 1,92 9,51                  95,13                  126,84  
1.000.000 1.000.000 1 0,13 0,19 0,95                    9,51                    12,68  
1.000.000 9.810.000 9,81 0,0132 0,0196 0,097                    0,97                      1,29  

Das heißt, mit Erdbeschleunigung benötige ich immer noch mehr als ein ganzes Jahr, um Reisegeschwindigkeit zu erreichen. Dann fliege ich mehr oder weniger antriebslos einige Jahre (!) interstellar bis zur Nähe des nächsten Sterns und bremse dann genauso wie ich beschleunigt habe, wieder ab. Da ich "nur" 0,9c erreiche, ist die Zeitdillatation mit 1:2,29 relativ gering., bin also in zwei Jahren im Raumschiff  4 Lichtjahre geflogen. Nach dem Abbremsen auf Systemgeschwindigkeit, was wieder über ein Jahr dauert, habe ich dann das Sonnensystem erreicht. Wegen der Unkenntnis der örtlichen Bedingungen muss man deutlich davor abgebremst haben, um Gaswolken ausweichen zu können oder mit unterkritischer Geschwindigkeit durchzufliegen. Zu schnell durchreisen heißt verglühen.

 https://de.wikipedia.org/wiki/Liste_der_n%C3%A4chsten_extrasolaren_Systeme

Welcher Antrieb bringt mir jahrelang 10.000 kN? Welche Energiequelle muss ich dafür mitnehmen und wie viel Treibstoff? (Siehe "Die Energiefrage") Wenn wir dafür keine angemessene Antwort finden und damit die notwendigen Technologien entwickeln, wird der interstellare Flug für Menschen nicht realisiert.

Die maximale Geschwindigkeit

Wir kommen nun auch zur Frage: wie schnell kann man überhaupt werden, ohne dabei zerstört zu werden? Wenn man sich der Lichtgeschwindigkeit nähert, wird die Strahlung von "vorne" sehr hart (Blauverschiebung, Dopplereffekt). Irgendwann ist die Standardstrahlung so energiereich (EUV, Röntgen), dass der Grillfaktor zuschlägt und Lebenwesen nicht angemessen durch die Strahlungsschilde geschützt werden können. Lege ich eimal 0,9c willkürlich fest, also 270.000km/s. Darüber hinaus kann man nicht beschleunigen, ohne Selbstmord zu begehen oder die Strahlungsschilde würden zu massereich, zu schwer, was wieder nicht schnell genug zu beschleunigen wäre, um in Lebenszeit irgendwohin zu kommen. Vielleicht ist das noch viel zu schnell, und die Grenze liegt nur bei 0,1c (siehe Weltraumwetter etc.). Wegen der Kollisionsgefahr mit Partikeln im interstellaren Raum wird es vielleicht nie einen konventionellen Antrieb geben, der auf "knapp C" beschleunigt.

Eine weitere Geschwindigkeitsbremse ist die maximal mögliche Beschleunigung auf Dauer. Mehr als ein g ist schlicht nicht drin, ohne dass wir als Menschen schaden nehmen. Die langfristige Auswirkung von erhöhter Schwerkraft überlasse ich anderen auszuprobieren.

Das Hauptproblem ist jedoch die benötigte Antriebsenergie.

Die Suche nach dem Optimum

Wir haben damit mehrere Faktoren, die beschränkend wirken:

- bereitgestellte Antriebsenergie zu benötigter Antriebsenergie

- Masse des Raumschiffs, Verhältnis Stützmasse zu Nutzmasse

- Austoßgeschwingdigkeit des Treibstoffs, und damit den Antriebsdruck

- erreichbare Maximalgeschwindigkeit  (0,1c - 0.9c)

- limitierte Beschleunigung (1g)

Gibt es einen "Sweetspot" für den Antrieb, bei dem die eingesetzte Energie zu einem möglichst optimierten Antriebsdruck bei minimalem Materieverbrauch führt? Gibt es ein "relativ" günstiges Verhältnis von Antriebsenergie, Masseeinsatz( Ausstoß) und Austrittsgeschwindigkeit? Auch der Lösungsansatz, Teile der Raumschiffseinheit abzustoßen, nachdem sie nicht mehr gebraucht werden, kann dabei helfen, in den machbaren Bereich zu kommen.

Eine limitierte Reisedauer

Mit den Grenzwerten zu Beschleunigung und maximal möglicher Geschwindigkeit sind die theoretisch minimal erreichbaren Reisezeiten zu anderen Sonnensystemen errechenbar. Die Beschleunigungszeit ist gleich der Bremszeit, sofern konstant maximal beschleunigt oder gebremst wird. Zum Bremsen dreht man dazu den Antrieb (und damit das ganze Raumschiff) einfach um 180° um. Leider ist das theoretische Minimum der Reisezeit derzeit technisch noch nicht annähernd erreichbar, da die Antriebsleistung dazu fehlt.

Wenn man in die Zukunft sieht, kommen immer wieder die sogenannten Generationen-Raumschiffe als Thema auf. Für sehr langfristig angelegte Reise-Projekte mag das ein Ansatz sein, aber einer mit immensem Aufwand, der heutzutage noch nicht realisierbar erscheint. Es ist zu bedenken, dass ein derartiges Raumschiff viele tausend Tonnen schwer sein muss. Darüber hinaus wäre das nur für wenige Menschen erstrebenswert, eine solche Reise in Nirgendwo anzutreten und darauf zu hoffen, dass ferne Nachkommen ohne Degeneration oder Retardierung das Ziel erreichen. Immer in der Hoffnung, dort am Zielpunkt tatsächlich siedeln zu können, ist dies derzeit eher ein Glückspiel mit dem eigenen Leben und dem der Nachkommen.

Besser wäre eine für Menschen-Zeit akzeptable Reisedauer innerhalb des Sonnensystems in bestenfalls Monaten, eher nur Wochen. Das führt zurück zum Thema Beschleunigung und Antrieb. Für weitere Reisen zu "nahen" Sonnensystemen wäre die Reisedauer immer noch generationenlang und derzeit utopisch.

Das Gravitationsproblem lösen

Wir Menschen benötigen zum gesunden Leben die Schwerkraft von einem g (9,81 Nm/kg). Schwerelosigkeit macht krank, schwach, tötet letztendlich. Ein halbes Jahr auf der ISS ohne das dort obligate sehr spezielle Training und der Astronaut sitzt eine Weile im Rollstuhl. Solange wir keine künstliche Gravitation erzeugen können, gibt es derzeit nur eine einzige Art, dies zu simulieren, mit "Rotationsschwerkraft". Der Lebensbereich muss also rotieren. Darüber hinaus darf der Gravitationsgradient nicht zu groß sein. Es wird gesundheitlich sicher dauerhaft böse Effekte geben, wenn "unten im Fuß" ein g herrscht und "oben" im Kopf vielleicht 1/3 g. Nehmen wir mal an, wir gestatten mal aus der hohlen Hüfte geschossen 2% Gravitationsdifferrenz vom Kopf bis zum Fuß und vereinfachen das auf ca. 2m Körpergröße. Das läst sich rechnen. 9,81Nm/kg am Boden und 9,61 Nm/kg zwei Meter darüber. Legt man noch wahlweise einen Radius oder eine Rotations-Geschwindigkeit fest,(ω = 2πf =2rπ) lässt sich aus dem und der Zentripetalkraft eine Geometrie für das Raumschiff ermitteln. Mit 2% Differenz pro zwei Meter ist der Radius des System ca. 100 m. Nehmen wir vereinfachend einen Zylinder an, mit dem Durchmesser von 200m also einem Radius von 100 m sind wir bei einer Rotationsgeschwindigkeit von v=sqrt(r*g) = 31,32 m/s, f=0,0498 Hz, T = 20 s. Andere Empfehlungen sehen einen Durchmesser von ca. 250m vor.

Dies bedeutet, dass ein Antriebssystem die Rotation erzeugen, beibehalten, kontrollieren und konstant halten muss. Der habitable Bereich des Raumschiffs wird zum Kreisel, Gyroskop.

Ein größerer Radius wäre besser wegen der geringere Rotationsgeschwindigkeit, kleiner wäre wegen der gesundheitlichen Gefahren des delta-g eher ausgeschlossen und mit höherer Rotationsgeschwindigkeit belegt. Je größer die Struktur, desto schwerer und statisch spannender der geometrische Aufbau. Im einfachsten Fall wäre das ein rotierender Wohnkörper als Torus eines Teilabschnitts davon, mit einem balancierten Gegengewicht auf der anderen Seite, im Mittelpunkt ist der Antrieb, der dann rechtwinklig davon in der Zentralachse für den Vortrieb sorgt. Besser noch ist eine Ausprägung als Zylinder, dann hat man das Balance-System nicht in dem Umfang.

Konsequenter Weise stellen wir uns damit vereinfacht einen Zylinder mit etwa 200m Durchmesser vor, der einen dauerhaft habitablen Wohnbereich von 1 Stockwerk und weitere Ebenen für versorgungstechnische Zwecke hat. Der Umfang beträgt dann ca. 628 m.  Das brauche wir später noch für die Gewichtsberechnung.  Der Raum bis zur Mitte und damit zur Antriebsachse kann für die Technik mitbenutzt werden, und die äußeren Bezirke beispielsweise für den Anbau von Nutzpflanzen. Algentanks, etc.

Die Energiefrage

Was kann ein Raumschiff über Jahre, eher Jahrzehnte mit Energie für den Antrieb und das Leben versorgen? Die Anforderung: Viel Antriebsenergie bereitstellen, wartungsarm, sicher und klein, wenig Masse.

Solarzellen

Solarzellen sind sehr nützlich, haben aber nur im inneren Sonnensystem genug Energieausbeute, weiter "außen" im Sonnensystem würde die nötige Fläche Quadratkilometer benötigen um ein paar Watt zu ernten. Für die Antriebsenergie reicht es schon interplanetar nicht aus, gerade mal für die Lebenserhaltung. Sie werden als Zusatz und Notversorgung obligat sein.

Chemischer Energiequellen, Batterie

Eine chemische Energiequelle, sagen wir so etwas wie eine Brennstoff-Zelle würde Unmengen Treibstoff, Reaktionsmasse benötigen, das ist nur für Übergangsphasen und Notfälle bzw. als Zweit- oder Drittsystem für kurze Ausfälle und kleine Navigationsaufgaben denkbar. Als Primärenergiequelle sind galvanische Zellen daher nicht geeignet. Erwartbar ist, dass Batterien als Zwischenspeicher im Regelbetrieb benötigt werden.

Atomreaktoren

Ein Lösungsansatz: Atomreaktoren an Bord. Und nein, die bereits benutzten thermischen Varianten in Raumsonden z.B. mit Plutonium und thermoelektrischen Wandlern sind sowohl zu schwach, ineffizient und retardieren zu schnell. Die in den 1950er Jahren gestarteten Versuche für weltraumtaugliche Reaktoren bedürfen hier der aktuellen Überarbeitung.

Auch die Uranbasierte Kernspaltung könnte durch z.b. Thorium durchaus besser realisiert werden. Alles steckt hierzu noch in den Kinderschuhen und ist politisch-militärisch wegen des interessanteren waffenfähigen Plutoniums nicht gewollt.

Jedoch sind langsam Tendenzen erkennbar, die Atomreaktoren für Raumschiffe endlich mit zu betrachten. Das Konzept der Kilopower-Reaktoren geht geziehlt auf den Einsatzbereich im Raumschiff ein. Im einen Artikel über Crusty, den kleinen Raumreaktor wird der Atomreaktor als nun akzeptable Alternative gezeigt. Das ist der erste wirklich gute Versuch, ordentlich Energie ins Raumschiff zu bringen. Aber 1 kW elektrische Leistung für 250kg Masse sind doch recht wenig, da braucht es eher ein paar hundert kW nur für die Lebenserhaltung. Die Schwäche liegt aber auch hier im Konzept, Stirling Motoren zu verwenden. Bewegliche Teile im Weltraum, auf Jahre gegen das Vakuum abgedichtete Motoren ohne materielle Verluste der Konvektionsflüssigkeit? Das halte ich für unwahrscheinlich, der Verlust des Mediums ist absehbar, und wie soll der Verschleiß im Weltraum behandelt werden? Nur wenn eine verlustarme Umwandlung der thermischen Energie in elektrische Energie realisiert wird, ist das Konzept wirklich brauchbar. Thermogeneratoren (Peltier-Elemente) haben einen entsetzlich schlechten Wirkungsgrad (derzeit 3 - 8%), ein nachvollziehbarer Grund für die derzeitige Wahl der Stirlingmotoren.

Aus Wikipedia zum Stirlingmotor: Für zukünftige Raumfahrtprojekte wird unter anderem von der NASA ein Generator mit radioaktiven Wärmequellen (z. B. Plutonium-238) entwickelt. Das als ASRG (Advanced Stirling Radioisotope Generator) bezeichnete Aggregat zur Energieversorgung von Satelliten und Landern soll gegenüber herkömmlichen Radioisotopengeneratoren einen bis zu viermal höheren Wirkungsgrad haben, was Gewicht und Kosten spart, da weniger Plutonium mitgeführt werden muss.

Das muss man erst einmal bewerten. Die aus Radioaktivität gewinnbare Energie liegt [überwiegend] in Wärme vor. Es braucht dazu z.B. eine Wärmekraftmaschine und passende Kühlung. Die Herausforderung im Weltall ist, dass es keine verschleißenden Teile geben darf, da dort nichts repariert oder einfach ersetzt werden kann. Damit eignen sich Komponenten mit reibungsbehafteten Lagern für Dauerbetrieb eher nicht. Letztlich werden sich "Motoren" oder "Generatoren mit beweglichen Verschleißteilen nicht durchsetzen, da ein Verschleiß nicht geheilt werden kann. 

Ein Lösungsansatz wäre der ein lagerloser Generator, der von einem lagerlosen Motor, z.B. Stirlingmotor oder einer Turbine angetrieben wird. Eine Herausforderung ist, dass man für diese Konzepte ein Medium, das Arbeitsgas benötigt. Wenn das z.B. wegen eines Lecks verloren geht, hat man keine Energie mehr. Es fehlt eine neue raumtaugliche Wärme-in-elektrische-Energie-Maschine mit hinreichendem Wirkungsgrad. Trotzdem ist das ein guter Weg, mindestens ein Zwischenschritt der funktioniert.

Wie wir bereits von den ISS-Erfahrungen lernen konnten, ist da Kühlen im Weltraum eine Herausforderung. (Wie warm ist es im Weltraum) Da wegen des Vakuums kein Konvektionswärmeaustausch möglich ist, bleibt nur die Wärmeabstrahlung. Das bedeutet riesige Kühlkörper, Kühlrippen um die Restwärme des Generators abzugeben. Um ordentlich abzustrahlen, müssten diese glühen. Da wären wir wieder beim Film Avatar, aber auch der Arte-Film arbeitet damit und erklärt das kurz. Spannend wird das dann auch beim Start oder im Zielsystem, je nach Umgebungsbedingung reichen die Kühlradiatoren wegen der lokalen Strahlungsdichte des jeweiligen Sterns nicht aus. Wie soll dann gekühlt werden? In diesem Fall müssen die Radiatoren jeweils vom Stern weggerichtet werden, aktiv justiert werden. Auf der gegenüberliegenden Seite muss dann eine reflektierende und isolierende Schicht die stellare Strahlung vom Raumschiff abhalten.

Antimaterie

Der Einsatz von Antimaterie als Energeiträger ist theoretisch denkbar, aber derzeit nicht realisierbar. Derzeit würde nur diese Art vermutlich die nötige Energie für die erforderliche Beschleunigung der Stützmassen bereitstellen. Jenseits von Science Fiction hier in der realen Welt gibt es noch keine Technologie, die aus Materie-Antimaterie-Reaktion in großem Umfang nutzbare Energie erzeugt. Wir können keine Antimaterie in größeren Mengen herstellen, noch speichern, wir haben keine Transportbehälter für Antimaterie. Wie sieht eine "Brennkammer" für Antimaterie aus, wie kann die der ultraharten Strahlung dauerhaft standhalten? Wie stellt man sich Treibstoffleitungen für Antimaterie vor? Anfassen, berühren ist nicht möglich, sonst zerstahlt alles sofort in einer (sub)atomaren Reaktion. Die Antimaterie muss in einem Tank aus magnetisch-elektrischen Feldern gelagert werden. Auch die Maschine selbst besteht dann nur aus Feldern, die die Antimaterie in den Reaktionsraum leitet und dort mit winzigen Normal-Materie-Teilchen "rekombinieren" lässt. Dann fehlen noch entsprechende Energiewandler, um von der Strahlungsenergie zu nutzbarer Energie wie z.B. Strom zu kommen. Derzeit ist das noch reine Science Fiction.

 

Welche Schutzsysteme werden benötigt?

Wie "wehrt" man sich gegen Teile, die ins Raumschiff einzuschlagen drohen?

Wenn das Raumschiff "schnell" genug fliegt, also relativistische Geschwindigkeiten ab 0,1c erreicht, werden auch relativ "ruhige" und kleine Massen auf der Bahn zur Gefahr. Die kinetische Energie reicht bis zum explosiven Durchschlag durch das ganze Schiff, einschließlich der Zerstörung wesentlicher kritischer Funktionselemente.

Je größer die Geschwindigkeit, desto eher können Teilchen, Staub, Brocken, Kometen in der Flugbahn auftauchen. Es macht "Fump" und die kinetische Energie sorgt für ein Verdampfen eines Teils des Raumschiffs. Wie gehen wir damit um? Hier benötigt man einen Lösungsansatz. Den haben wir aber noch nicht. Wir schaffen es nicht einmal, den Weltraumschrott im Orbit um unseren Planeten zu kontrollieren, zu beseitigen oder uns dagegen zu schützen. Die Idee, aus der Arte-Filmreihe, mit einer mehrstufigen Schutzeinrichtung, bei der die erste Schicht als Opfer zur Vernebelung des Einschlagobjekts dient, gefällt mir gut. Die Frage ist, wie viele Schichten benötigt man, und wie lange halten diese auf der Reise im interstellaren Medium wirklich. Wir wissen das einfach noch nicht.

In der Regel kann man kleinen schnellen Objekten eher nicht ausweichen, besonders der Antriebseinsatz für Ausweichmanöver ist hier kritisch auch für die Flugbahn. Sind diese Teile relativistisch schnell (>0,1c), können sie auch nicht rechtzeitig geortet werden, da das Raumschiff eine massebedingte große Latenzzeit zum Ausweichen hat.

Alles in der SF-Literatur betrachten: Es brauch eine aktive und passive fern- und Nahüberwachung des Raums um das Raumschiff, damit die Gefahren erkannt werden. Dann können entsprechende Gegenmaßnahmen ergriffen werden.

Laser-Abwehr für Mikrometeoriten, der Dampf des zerstörten Objekts ist zwar immer noch gefährlich, aber die Hülle muss das abkönnen.

Die Railgun für das Ablenken größerer Objekte hat ein paar blöde Effekte, der Rückstoß bringt das Schiff schlimmstenfalls ins Taumeln und wird die Flugbahn ebenfalls beeinflussen. Eine echte Notmaßnahme, die sicher benötigt wird.

Die Frage nach plötzlicher Dekompression wegen eines Schadensereignisses muss ebenfalls betrachtet werden. Hier benötigt das Raumschiff eine torsionssteife Konstruktion, die auch bei größeren Schäden nicht einfach zerbrich, implodiert oder explodiert. Teileinheiten müssen selbsständig und redundant arbeiten und von dort aus müssen Reparaturen zur Widerinstandsetzung möglich sein.

Für Menschen, sofern eine hinreichende Vorwarnzeit gegeben ist, braucht es kinetische Puffereinrichtungen (Gurte und Airbags reichen da nicht). Hier kommen wir zu den physikalischen Grenzen, was ein Mensch aushält. Das Schiff könnte eventuell schnell genug reagieren, die Menschen wären dann aber Matsch. (In Dan Simmons SF Hyperion-Trilogie wurde das mit den Erzengel-Schiff auf die Spitze getrieben, auch der Lösungsansatz mit einem "Wiederauferstehungstank" ist reine Fantasy)

Weltraumwetter oder die Strahlenfalle

Ein oft komplett unterschlagenes Problem zumindest in der SF-Literatur, aber nicht nur da, ist bei der Raumfahrt die Strahlenbelastung. Dazu gehören Alpha-Strahlung (Heliumkerne), Beta-Strahlung, also schnelle Elektronen, auch aus planetaren Magnetfeldern wie dem des Jupiter stark beschleunigte Elektronen, Gammastrahlung verschiedener Energien, Neutronen-Strahlung, Myonen, schnelle schwere Ionen und so weiter.

Es gibt den örtlichen Anteil, z.B. planetare magnetsphärenbedingte Strahlengürtel und den des "Weltraumwetters" mit Sonnenerruptionen, aber auch auf lange Sicht gesehen Ereignisse wie Novae, Jets aus schwarzen Löchern, schnelle Teilchenwolken. In der Nähe starker Magnetfelder (das Jupiter-Strahlungsgürtel-Problem) gibt es die hochenergetische Bremsstrahlung. Die geschützte Elektronik von Satelliten und Sonden hält durchaus eine Million mal mehr Strahlung aus als Lebewesen. Auch die schweren schnellen Ionen müssen irgenwie vom menschlichen Körper abgehalten werden.

Bereits der reine interplanetare Weltraum unseres Sonnensystems ist zu verstrahlt, dass er ohne angemessenen Schutz durchquert werden kann. Siehe Artikel "Strahlenbelastung im Weltall" von Spektrum.de.

Menschen in den derzeit (2018) geplanten amerikanischen schwach geschützten Raumfahrzeugen würden vermutlich hoch strahlungsgeschädigt und damit krank und eventuell hirngeschädigt im Marsorbit nach zwei bis drei Jahren ankommen. Nicht besonders schlau. „Mit der derzeitigen Abschirmtechnologie ist es schwierig, Astronauten vor den negativen Auswirkungen von Schwerionenstrahlung zu schützen“

Bei längeren Reisen würde ein unzureichender Strahlenschutz automatisch das Aus der Reise nach einem größeren, oder längeren Strahlenausbruch bedeuten. Die Besatzung ist schlicht totgestrahlt. Ich finde es auch bemerkenswert blödsinnig, dass statt Strahlenschutz lieber nach Strahlenresistenz durch Medikamente gesucht wird. Wir brauchen beides, aber Strahlenschutz zuerst. Bemerkenswert dumm ist auch der Ansatz, die Schwerionen gar nicht abzubremsen, da sie gebremst noch mehr Schaden im menschlichen Körper anrichten. Blöde deshalb, weil auch das Innere des Raumschiffs selbst Schaden durch das Bombardement nimmt, je nach Struktur und Beschaffenheit damit mehr als der Mensch.  Die Teilchen müssen vorher zu einem sehr hohen Prozentsatz (99,99..%) abgefangen werden, damit sie NICHT ins Innere des Raumschiffs, bzw den habitablen Bereich des Raumschiffs gelangen

Noch krasser ist die Auswirkung bei richtig langen Reisen über Jahrzehnte oder wie bei Generationenraumschiffen über Jahrhunderte oder Jahrtausende. Bereits ein Nova-Ereignis in hinreichender Nähe der Reiseroute, ein verirrter Jet aus einem Schwarzen Loch, eine schnell reisende Gaswolke, eine treffsichere Eruption (Flare) eines nahen Sterns und das Raumschiff ist gegrillt, sterilisiert, Ende der Reise, es fliegt nur noch die Elektronik, wenn überhaupt.

Die Anforderung: Geringe Wanddicken, geringe Masse, aber hoher Strahlenschutz. Das sind derzeit eher widersprüchliche Forderungen.

Lösungsansätze: Physische Schilde aus Metall, Plasmaschutzschilde und elektromagnetische Schutzschilde kombiniert. Der Vorschlag, einen Plasmaschutzschild außen auf der Außenhülle zu nutzen, scheint eher unpraktisch, da das Plasma verlorengeht, abdiffundiert, bei Bedarf einfach z. B. von einem Sonnenwind oder sonstigen Gasstrom "weggeweht" wird. Somit kann ein Plasmaschutzschild schon nützlich sein, aber IM Raumschiff, nicht außen, da wird das Plasma sonst weggeblasen und der Masseverlust des Plasmagases kann nicht ausgeglichen werden. Die Reisedauer wäre dadurch zusätzlich beschränkt.

Trozudem muss gegebenenfalls bei "schwerem Weltraum-Wetter" eine Schutzstation (z.B. ein ummantelter Wasserkern o.ä.) aufgesucht werden, damit man nicht nach kurzer Zeit tot umfällt. Noch wissen wir gar nicht, welches Weltraumwetter uns außerhalb des solaren Systems bevorsteht. Das muss erst noch erforscht werden.

Sehen wir uns die ISS an, z.B bei Columbus-Modul: Zitat aus Wikipedia zu Columbus-Modul: "Inkl. Mikrometeoriten-Schutzschild von 13 cm Stärke aus mehreren Lagen Aluminium und Kevlar bzw. Nextel (keramisches Textilgewebe))". Wenn wir an anderere Stelle sehen, dass für Aluminium lieber Tantal eingesetzt wird, das 10 mal besser schnelle Elektronen aufnimmt, und damit die Schichtdicke auf 1/10 reduziert. Für die Reise durch das Sonnensystem müsste ein Durchflug beim Jupiter möglich sein, durch seinen Strahlungsgürtel, ohne dass die Besatzung gegrillt wird oder sich im Schutzraum verstecken muss. Das bedeutet zusätzlich zum Meteoritenschutz ein kräftiger Strahlenschutz mit einer Wanddicke von einigen Zentimetern aus Metall oder eben einem technischen Equivalent z.B. mit Metamaterialien und aktiven Schichten. Dazu noch die ballistischen Keramik-Faserverbundwerkstoffe, ich schätze 20cm Dicke, davon 2-3cm Metall aus verschiedenen Schichten. Zusätzlich kommen dann  Metallkeramik-Schaumelemente dazu. Das erhöht das Raumschiffgewicht erheblich, es gilt für alle Bereiche mit Leben, auch die Anbauflächen für z.B. Gemüse müssen so geschützt werden.

Ein nachhaltiges Versorgungssystem

Wie löst man die Herausforderung der Versorgung von Menschen mit Nahrung? Es kann eventuell nur ein Teil als Vorrat mitgenommen werden, wenn mehrjärige Reisen geplant werden. Das bedeutet, dass Sauerstoff, Lebensmittel, Entsorgung, Entgiftung, CO2-Zyklus etc. alles im System erledigt werden müssen. Bisher haben wir mit den Biosphären-Reservat-Versuchen noch kein autarkes biologisches System schaffen können. Mit entsprechender technischer Unterstützung ist dies sicher möglich, in dem Regelkreisläufe, die sich nicht selbst stabilisieren, von außen mit technischen Regelkreisen verschränkt und so stabil gehalten werden.

Wir werden Tonnen an tiefgefrorenen Vorräten zur Überbrückung kritischer Situationen benötigen. Genug Wasser an Bord (Gewicht) wird eine Grundvoraussetzung sein.

Bio-Tanks mit Algen zur Sauerstoff-Produktion, die nebenbei auch Proteine und Öle liefern können, werden ebenso benötigt. wie Anbauflächen für Gemüse, Obst, Getreide. Die Proteinversorgung könnte mindestens mit Fisch erfolgen, weitere mögliche Proteinquellen wären neben Pflanzen Algen, Hefepilze oder gezüchtete Bakterien.

Dazu hilft die Genetik. Siehe auch Artikel "Genetisch veränderte Zimmerpflanze reinigt Wohnraumluft" von Wissenschaft aktuell: Efeututen, die mit einem Kaninchen-Gen ausgestattet sind, können organische Schadstoffe wie Benzol und Chloroform aus der Luft aufnehmen und unschädlich machen.

Redundante Systeme wären unabdinglich, um im Störungsfall Ersatz zu haben. Dabei entstehen komplexe Stoffkreisläufe, die technisch mit geregelt werden müssen.

Das Abfallsystem muss Fäkalien vollständig wiederverwerten, den Teil, der in den bestehenden Kreisläufen nicht widerverwendet werden kann, muss chemisch reformiert werden. Trinkwasser muss aufbereitet und entgiftet werden. Beispielsweise kann eine Metallbelastung inzwischen mit Nanoschwamm als Schwermetall-Filter effektiv reduziert werden. Zum Trinken muss das Wasser dann wieder remineralisiert werden.

Die Frage der Raumschiffgröße

Im Film "Interstellar" war das sogenannte Raumschiff eine mehr oder weniger umgebaute mickrige Raumstation in Ringform. Viel zu klein, technisch anfällig. Schon aufgrund oben genannten Gründe wird ein Raumschiff deutlich größer ausfallen.

Die Raumschiffmasse

Ich schätze die Raumschiffmasse eines sehr fortschrittlichen Raumschiffs auf mindestens 1000 Tonnen. Frühere Studien nennen 50.000 Tonnen Startmasse, was für einen Flug an die Grenzen unseres Sonnensystems realistisch erscheint. Aktuelle Schätzungen liegen bei über 150.000 Tonnen, siehe Arte-Dokumentation.

Wie viele Menschen müssen an Bord sein? Die Frage ist nicht nach der Mannschaft, das Schiff kann und muss autonom, KI-gesteuert fliegen, sondern nach der Nutzlast. Es müssen genügend Menschen für eine soziale Interaktion sein, es benötigt mindestens eine Kleingruppe von 20-50 Menschen.

Welchen Platzbedarf benötigt ein Mensch? Abgesehen vom persönlichen Anspruch nach Rückzug über Jahre hinweg braucht es Anbaufläche pro Person für die Nahrungsproduktion. Darüber hinaus medizinische Flächen, technische, soziale, ...

Stabilisierung, Steuerung, Hilfsantriebe

Um das Raumschiff zu stabilisieren, helfen Drallrad und Reaktionsrad, in Verbindung mit dem gyroskopisch wirkenden Rotation des Wohnkörpers. Damit kann das Raumschiff gezielt, wenn auch relativ langsam gesteuert werden. Das wäre der Normalbetrieb.

Für schnellere Lageänderungen kann derzeit nur (viel) Kaltgas oder chemischer Antrieb genügend Beschleunigung erzeugen. Das bleibt entsprechend wegen des Masseverlusts begrenzt. Alternativ könnten spezielle Ionentriebwerke mit höherem Materie-Ausstoß aber geringerere Geschwindigkeit die Steuerung ermöglichen.

Was nimmt man mit

Das kommt darauf an, wohin es gehen soll. Aber für den eigentlichen Betrieb des Raumschiffs mit hinreichender Autonomie sind ausreichend Hilfssysteme mitzuführen wie Roboter, Sonden, Shuttles, Materialvorräte, Nahrungsvorräte, Reparaturmaterial, Wasser, Treibstoff. Dann erst kann die eigentliche Nutzlast für die geplante Mission berechnet werden.

Um unabhängig arbeiten zu können, werden "Assembler" benötigt, siehe Neal Asher´s Universum, also Nanotech-3D-Drucker. Damit lassen sich dann auch Ersatzteile produzieren.

Wie bekomme ich das Raumschiff gebaut und in den Erdorbit

Wir gehen von hunderten Tonnen Nutzlast für das Raumschiff und dessen Konstruktionsdock aus, die erst einmal in einen Orbit um die Erde gebracht werden müssen.

Eine schöne Fatamorgana ist der Weltraumaufzug. Ich argumentiere, in dem ich die Frage stelle, wie gleicht ein derartig konstruierter Kabelstrang seitliche und verwindende Kräfte über mehrere hunderttausend Kilometer aus, die durch die immer dünner werdenden Atmosphere durch Strömung (Winde) erzeugt werden? Schließlich haben wir ein Wetter, das bis über die Stratosphäre (genauer gesagt bis zum Mond) reicht und mit Luftwirbeln, Stürmen, Jetstreams und Infraschall-Wogen in jeder Höhe eine jeweils andere Kraft und Richtung ausübt.

Eine weitere schöne Idee ist die Railgun für Fracht (wie in der Jupiter-Trilogie von Neal Asher) um die Fluchtgeschwindigkeit von 11m/s zu überschreiten. Das wäre ein Mammutprojekt und der Abschuss-Knall wäre kaum erträglich für die Erde.

Was bleibt, sind chemisch angetriebene Raketen. Das ist sehr teuer und wenig effizient. Es braucht hier andere Ansätze, wie das Sänger-Konzept oder ähnlich. Neue Lösungen beziehen die Tragfähigkeit der unteren Atmosphäre mit ein, z.B. mehrstufige Startsysteme mit einem Trägerflugzeug für das Lastshuttle. Linearantriebe können sicher für eine bessere Startgeschwindigkeit sorgen

Wer soll das bezahlen?

Nur ein multinationales Konsortium könnte eine derartige Finanzlast derzeit stemmen. Die finanzielle Markteintrittsbarriere sinkt mit neuen Technologien jedoch ständig ab. Kommt dann politischer Wille hinzu, wie die Sternenkrieger-Vorstellungen der USA, China, etc. dann wird irgendwann ein Projekt eventuell schon national erfolgreich finanzierbar sein.

Bewertung der heutigen technischen Möglichkeiten

Was wir wissen

Eine Reise zu den Sternen ist derzeit nicht möglich. Es fehlt an Energiequellen und Antriebstechnik. Ob eine interstellare bemannte Reise überhaupt möglich ist, wissen wir noch nicht.

Was wir nicht wissen: Stellare Untiefen

Was wir nicht wissen, wie schnell wir im interstellaren Raum überhaupt fliegen können. Auf welchen Anteil der Lichtgeschwindigkeit (0,x%c) kann physikalisch überhaupt beschleunigt werden, ohne dass das Raumschiff während der Reise zerstört wird, oder die Besatzung deshalb umkommt? Durchaus erwartbar ist eine Reisegschwindigkeit in Abhängigkeit der Gasdichte und Staubdichte des interstellaren Raums. Zunächst muss das erforscht werden, mit Sonden, die in den Interstellaren Raum vordringen und dort die Reisebedingungen erforschen. Dann erst werden wir Aussagen machen können, ob andere Sonnensysteme erreichbar sind und wenn ja, in welcher Zeit. Erlaubt das interstellare Medium nur geringe Geschwindigkeiten nahe des relativistischen Bereichs (0,1c) dann sind die Reisedauern zu hoch.

Was bringt das?

Hier muss man eher nach der Motivation fragen, nur ein geringer Teil wird als Forscherdrang nach Wissen, neuen Erkentnissen dazu beitragen. Die eigentliche Motivation wird die Suche nach Rohstoffen, neuen Siedlungsraum, und strategisch der Einfluss politischer und militärischer Art von "oben" auf die Erde sein. Zu Begin wird das nur für sehr wenige Menschen Realität werden. Es ist denkbar, das wir Menschen uns in nahen Sternsystemen niederlassen und dort überleben könnten. Vermutlich wird es genügend Planeten, Monde und Asteroiden geben, die in jeweiliger Sonnen-Nähe ein autarkes Überleben möglich machen könnten.

Hoffnung

Einige technische Ansätze zeichnen sich ab: Kaltnanotech wie in der Spin-Trilogie von Robert Charles Wilson kann für Sonden eingesetzt werden, die wir vorausschicken müssen. Fusionsreaktoren würden hinreichend Energie für Raumschiffe als Lastesel im Sonnensystem erzeugen, reichen aber vermutlich nicht für interstellare Reisen. Neue Materialien, wie Metamaterialien etc. reduzieren den Masseanteil eines Raumschiffs und unterstützen irgendwann die Machbarkeit. Neue medizinische Möglichkeiten z.B. Kryotechnik wie in der Alien-Serie, Genreparaturen etc können die Besatzung am Leben und besser gesund erhalten. Mit der Steigerung des Wirkungsgrads von Ionentriebwerken wird die Reichweite und Traglast derartiger Raumschiffe besser. All das ist aber eher eine langfristige Hoffnung, kurz bis mittelfristig werden wir nichts davon sehen. Nicht auszuschließen sind neue Erkenntnisse, die uns bestehende physikalische Grenzen umgehen oder trickreich ausnutzen lassen. Prinzipiell besteht noch kein Beweis, dass dies grundsätzlich unmöglich ist.

Alternativen zur bemannten Raumfahrt

Auch hier wurde bereits sehr viel vorgedacht, Mini-Raumschiffe mit Laserlicht treiben ist gerade der letzte Schrei, und völliger Blödsinn, siehe oben.

Auch wurde die Frage gestellt, warum fremdes Leben längst nicht bei uns angekommen ist. Ich stelle die Gegenfrage: Wie muss eine Raumsonde oder ein Raumschiff aussehen, welches über Jahrtausende, Jahrzehntausende oder noch viel länger durch den Weltraum reist, von einem System zum nächsten, die den Bombardements von Staub, Gas, Teilchen, Strahlung über diese sehr lange Zeit standhält? Welche Art von Leben kann da mitreisen? Würde eine Maschine, eine KI das physisch, psychisch  aushalten? Was richtet eine Supernova an, in deren Strahlungs- und Teilchendusche ein derartiges Raumschiff einer fernen Zivilisation unterwegs ist? Würde ein planetegroßes Raumschiff als Strahlenschutz ausreichen?

Man könnte es so formulieren: jede Nova sterilisiert in ihrer näheren oder auch weiteren Umgebung alles. Je länger man unterwegs ist, desto mehr Novae bekommt man ab. Da kann dann schon eine Killerwelle dabei sein. Ende der hoffnungsvollen Reise. Somit scheint interstellare Raumfahrt wenn überhaupt nur zwischen nahen Systemen mit wenigen Lichtjahren Abstand grundsätzlich möglich.

Im Rahmen der ökologischen Betrachtung der Erde würde eine Ausweitung des Lebensraums der menschlichen Art auf mindestens das ganze Sonnensystem eventuell das Überleben sichern. Daher befürworte ich Raumfahrt-Aktivitäten, die den Lebensraum erweitern helfen.

Wettrennen zu den Sternen - Risiken

Raumfahrt war, neben dem phantastischen Ansatz seit Jules Verne etc. immer auch ein politisches Thema, um militärische Dominanz zu erreichen. Es ist damit wichtig, verantwortungsvoll zu forschen und die Aktivitäten den Mitbewerber nicht nur zu verfolgen, sondern wenn möglich zu überflügeln. Das "Wettrennen zu den Sternen" kann zur Dominanz eines Staates und damit zum Weltherrschaftsanspruch beitragen, was die Kriegsgefahr und das Risiko der Unterjochung anderer Staaten steigen lässt.

   
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