Technischer Fortschritt bisher

Hallo Experten !

Mich würde mal interessieren, jetzt unabhängig von Wirtschaftlichkeit etc. Wie weit sind wir in der Raumfahrttechnik : Ich habe ein 15 Tonnen schweres Raumschiff, dass zwei Personen beherbergen kann. Gewicht ist nur die die Leermasse + 2 Personen ( ohne Treibstoff und ohne Nahrung ). Auf wie viel Prozent / Promille der Lichtgeschwindigkeit könnten wir es nach heutigem Stand der Wissenschaft im Vakuum bringen? Welche Antriebsmethoden stehen hierbei zur Auswahl und welche Aussichten haben wir bezüglich zukünftiger Entwicklungen dahingehend ? Nochmals : Mir geht es nicht darum dass Raumschiff in den Weltraum zu befördern, sondern lediglich darum es im Weltraum zu beschleunigen.

Vielen Dank schonmal für eure Bemühungen.

Gruß Aqib

http://de.wikipedia.org/wiki/Nautilus-X
http://www.adastrarocket.com/aarc/Technology

Es gibt künstliche Schwerkraft und ein Ionenantrieb macht es recht flott, sodass man im Monatstakt zum Mars und zurück reisen könnte (50km/s).

Hi,

was ich mich bei solchen Zentrifugenlösungen zwecks Herstellung künstlicher Schwerkraft schon immer frage:

Ist die Besatzung in so einem Ringhabitat dann gewissen Restriktionen ausgesetzt, was die Bewegungsfreiheit angeht? Könnte mir vorstellen, dass die sich nicht alle gleichzeitig auf einer Seite des Ringes aufhalten dürfen um Unwuchten zu vermeiden.
Oder ist eine Regelungstechnik denkbar (notwendig?), die den Bewegungen der Besatzungsmitglieder entgegenwirkt? Ich denke an kompakte bewegliche Massen, die vielleicht aussen auf Schienen um das Habitat herumführen.

Gruß, C.

Hallo,

Auf wie viel Prozent / Promille der Lichtgeschwindigkeit
könnten wir es nach heutigem Stand der Wissenschaft im Vakuum
bringen?

Auf etwa 1 Promille, also so 300 km/s könnten wir es wohl mit derzeit greifbarer Technik schaffen.

Welche Antriebsmethoden stehen hierbei zur Auswahl
und welche Aussichten haben wir bezüglich zukünftiger
Entwicklungen dahingehend ?

Als Antriebsmethoden für derart hohe Geschwindigkeiten kommen realistischerweise eigentlich nur elektrische Antriebe (Ionentriebwerk, etc) in Frage, wie sie teilweise schon verwendet werden (z.B. Smart-1 Sonde zum Mond).

Diese Antriebe haben aber den Nachteil, dass sie viel Strom brauchen und daher vom Gewicht und der Leistung der Energiequelle abhängen. Die Antriebe selbst würden sogar für weit höhere Geschwindigkeiten ausreichen, wir bräuchten nur noch eine leichte und kräftige Energiequelle. Das ist momentan so der Flaschenhals.

Mit heutiger Technik kommt als Energiequelle eigentlich fast nur ein Nuklearreaktor in Frage. Der experimentelle SAFE-400 Reaktor kommt auf eine elektrische Leistung von 100 kW bei einem Gewicht von 1200 kg. Das ist schon ziemlich gut für unsere Verhältnisse. In Sachen Antrieb sind die besten was wir vielleicht jetzt hinkriegen könnten Ionenantriebe mit einem spezifischen Impuls (ein Maß für die Effizienz des Antriebs, entspricht im Prinzip der Austrittsgeschwindigkeit der Stützmasse am Triebwerk) von so 20.000s (Austrittsgeschwindigkeit grob 200.000 m/s). Der experimentelle Dual-Grid-4-Stage Ionenantrieb der ESA ist so ein Kandidat. Er soll mal bei 250 kW Leistung einen Schub von 2,5 Newton erreichen und verbraucht dafür 0,0125g Stützmasse pro Sekunde.

Für eine bemanntes Raumschiff bräuchte man schon so 100 Newton Schub, d.h. man bräuchte rund 40 dieser Triebwerke + rund 100 SAFE-Reaktoren für die nötige Stromversorgung. Das wiegt dann zusammen schon mal rund 120 Tonnen, so dass dein Raumschiff wohl inklusive Nahrung so auf 150 Tonnen Leergewicht kommen könnte. Das ist aber nur der geringste Teil des Gewichts, da das meiste Gewicht die Stützmasse ausmachen wird (also das Zeug, dass das Triebwerk hinten rausschießt).

Wie viel Stützmasse man braucht, kann man über die Raketengrundgleichung ausrechnen:

v_{ende} ~=~ v_{aus} \cdot ln(\frac{m_{leer} + m_{stuetz}}{m_{leer}})

vaus ist die Ausstoßgeschwindigkeit des Triebwerks, mleer ist die Leermasse des Raumschiffs und mstuetz ist die Treibstoff-/Stützmasse. Errechnet wird dann die Endgeschwindigkeit vende die das Raumschiff so maximal theoretisch erreichen kann.

Wenn wir das jetzt nach mstuetz auflösen, dann können wir also ausrechnen, wieviel Stützmasse wir mitnehmen müssten, um eine bestimmte Geschwindigkeit zu erreichen.

m_{stuetz} ~=~ e^{(\frac{v_{end}}{v_{aus}})} \cdot m_{leer} - m_{leer}

Wenn wir jetzt z.B. 300 km/s als angestrebte Endgeschwindigkeit einsetzen und die oben genannten Daten des möglichen Raumschiffs (Leergewicht 150t, Ausstoßgeschwindigkeit 200 km/s), dann kommen wir auf eine nötige Stützmasse von rund 520 Tonnen. Das wiegt also schon ein vielfaches des eigentlichen Raumschiffs, ist aber noch OK. Zum Vergleich, die Saturn V wog vollgetankt rund 3000 Tonnen.

Man sieht an obiger Formel aber auch, dass die Masse exponentiell mit der angestrebten Geschwindigkeit ansteigt. Das heißt, das lässt sich nicht beliebig skalieren.

Um 600 km/s zu erreiche braucht man schon 3000 Tonnen, also soviel wie das Gewicht der Saturn V. Für 1000 km/s sind es dann schon 22.300 Tonnen, das ist dann schon rund das 7-fache davon und darüber wird es dann völlig unrealistisch. Bei 3000 km/s, also gerade mal 1% der Lichtgeschwindigkeit, bräuchte man schon 490.400.000 Tonnen Stützmasse, das ist das Gewicht von rund 1000 voll beladenen Öltankern!

Also schon dadurch sind wir auf Geschwindigkeiten von maximal 1000 km/s mit unserer heutigen Technik realistischerweise begrenzt. Aber es kommt noch eine weitere Hürde dazu. Die Leistung des Antriebs bestimmt auch, wie viel Stützmasse du maximal pro Sekunde hinten ausstoßen kannst. Das bedeutet, dass du zwar theoretisch ewig viel Stützmasse/Treibstoff mitnehmen könntest, aber du dafür eventuell Jahrtausende brauchst, um das alles zu verbrauchen und die Endgeschwindigkeit zu erreichen. Das oben genannte Ionentriebwerk verbraucht z.B. nur 0,0125g Xenon pro Sekunde. Das Raumsschiff hat 40 solcher Triebwerke, kommt also auf einen Massenfluss von 1g/s.

Wenn du also mit diesem Raumschiff die Missionsdauer in Grenzen halten willst und sagen wir maximal 30 Jahre brauchen willst, um die Endgeschwindigkeit zu erreichen, dann begrenzt das die Endgeschwindigkeit auf rund 300 km/s. Das halte ich derzeit für eine Grenze von der man sagen könnte, dass sie eine realistische Obergrenze für die heute zeitnah verfügbare Technik ist. Für eine Endgeschwindigkeit von 100 km/s würde man rund 7-8 Jahre brauchen.

Nochmals : Mir geht es nicht darum
dass Raumschiff in den Weltraum zu befördern, sondern
lediglich darum es im Weltraum zu beschleunigen.

Das ist oben berücksichtigt. Das Raumschiff musst du natürlich erst mal mit einer herkömmlichen Rakete ins All bringen und von dort fliegt es dann erst los. Die Raketengrundgleichung oben gilt außerdem nur für Geschwindigkeiten deutlich unterhalb der Lichtgeschwindigkeit, weil sie keine relativistischen Effekte berücksichtigt. Für Geschwindigkeiten bis zu 10% der Lichtgeschwindigkeit ist sie aber noch brauchbar, für unsere Zwecke allemal.

vg,
d.

Sehr schön ! Vielen Dank für die sehr hilfreiche und ausführliche Antwort !

Auch wenn ich mindestens mal 10 % der Lichtgeschwindigkeit erwartet hätte :wink:

Grüße Aqib

Hallo,

http://de.wikipedia.org/wiki/Nautilus-X
http://www.adastrarocket.com/aarc/Technology
Es gibt künstliche Schwerkraft und ein Ionenantrieb macht es
recht flott, sodass man im Monatstakt zum Mars und zurück
reisen könnte (50km/s).

Sicher nicht. Mit einem Ionenantrieb schaffst du mit heutiger Technik eine Geschwindigkeit von 50 km/s gerade mal in 2 Jahren, und das ist schon sehr optimistisch. Gerade am Anfang schaffst du in den ersten 2-3 Monaten mit einem Ionenantrieb gerade mal einen Geschwindigkeitszuwachs von 1-2 km/s. Bei einer Marsmission stammt aber fast die komplette Geschwindigkeit aus der Bahngeschwindigkeit der Erde (etwa 30km/s). Ob du also dort im Schnitt mit 30 oder 32 km/s hin fliegst, das ist völlig egal, das macht keine 10% Zeitdifferenz aus. Einzig ein herkömmlicher chemischer Antrieb kann derzeit den notwendigen Schub generieren, um die Geschwindigkeit so zu erhöhen, dass dies einen Impakt auf die Reisezeit zum Mars hast.

In den auf Wikipedia verlinkten Präsentationen steht außerdem explizit, dass die Frage des Antriebs bei dem Nautilus-X Raumschiff völlig offengelassen ist und auch herkömmliche chemische Antriebe dafür vorgesehen sind. Für so kurze Strecken wie zum Mars gibt es derzeit eigentlich nur die Möglichkeit mit herkömmlichen Raketen dort hin zu fliegen. Um mit Ionenantrieben genügend Schub zu erzeugen, um damit in akzeptabler Zeit zum Mars fliegen zu können, dazu fehlen uns schlicht die geeigneten Energiequellen für elektrische Energie. Alles was viel Energie liefern könnte, ist schlicht zu schwer.

Ionenantriebe sind erst ab einer Flugdauer von 2-3 Jahren potentiell schneller als ein herkömmlicher Raketenantrieb. Sie sind daher nur für sehr lange Missionen sinnvoll z.B. ins äußere Sonnensystem, wo wir selbst mit unserer besten Technik heute viele Jahre Flugzeit hin haben.

vg,
d.

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Hallo C.,

Könnte mir vorstellen, dass die sich nicht alle gleichzeitig
auf einer Seite des Ringes aufhalten dürfen um Unwuchten zu
vermeiden.
Oder ist eine Regelungstechnik denkbar (notwendig?), die den
Bewegungen der Besatzungsmitglieder entgegenwirkt? Ich denke
an kompakte bewegliche Massen, die vielleicht aussen auf
Schienen um das Habitat herumführen.

Es macht mehr Sinn die Wassertanks innen, z.B. in den Speichen, anzuordnen.

  1. Durch umpumpen oder verschieben kann man dann ausgleichen.

  2. Da Innen auch gleich „Oben“ ist, hat man automatisch einen Wasserdruck und spart sich Pumpen für die Wasserversorgung.

MfG Peter(TOO)

Hallo,

Für eine Endgeschwindigkeit von 100 km/s würde
man rund 7-8 Jahre brauchen.

Nicht zu vergessen die 7-8 Jahre für den Bremsweg um nicht am Ziel vorbei zu schießen.
Altern. könnte zum Bremsen auch die Schwerkraft eines Planeten oder Sonne genutzt werden.e
Eine Vollbremsung auf diese Art würde bei 100km sec. wohl aber eher ungesund sein.

Grüße
Markus

Als Antriebsmethoden für derart hohe Geschwindigkeiten kommen
realistischerweise eigentlich nur elektrische Antriebe
(Ionentriebwerk, etc) in Frage, wie sie teilweise schon
verwendet werden (z.B. Smart-1 Sonde zum Mond).

[…]

Mit heutiger Technik kommt als Energiequelle eigentlich fast
nur ein Nuklearreaktor in Frage.

Es ginge auch nuklearthermisch. Das hätte gegenüber nuklearelektrischen Antrieben den Vorteil, dass die Leistung und damit der Schub größer wäre. Allerdings wäre es auch wesentlich schmutziger.

Hallo,

Es ginge auch nuklearthermisch. Das hätte gegenüber
nuklearelektrischen Antrieben den Vorteil, dass die Leistung
und damit der Schub größer wäre. Allerdings wäre es auch
wesentlich schmutziger.

Und vor allem würde uns auch das nicht *wesentlich* weiter bringen, weil das maximal vielleicht den Faktor 3-4 an Mehrleistung bringt, also das, was bei der Umwandlung in elektrische Energie verloren gehen würde. Für wirklich hohe Geschwindigkeiten wie z.B. 1% der Lichtgeschwindigkeit oder mehr würde das auch nicht realistisch reichen. Das wäre höchstens für Reisen hier im Sonnensystem interessanter, weil hier der Faktor Schub wesentlich wichtiger ist. Für eine möglichst hohe Geschwindigkeit ist dagegen in realistischen Konzepten der spezifische Impuls wichtiger, weil er bestimmt, wieviel Masse an Treibstoff du mitnehmen musst.

vg,
d.

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Und vor allem würde uns auch das nicht *wesentlich* weiter
bringen, weil das maximal vielleicht den Faktor 3-4 an
Mehrleistung bringt

Bist Du sicher, dass du nicht 3-4 Größenordnungen meinst?

Für eine
möglichst hohe Geschwindigkeit ist dagegen in realistischen
Konzepten der spezifische Impuls wichtiger, weil er bestimmt,
wieviel Masse an Treibstoff du mitnehmen musst.

Auf den spezifischen Impuls bin ich nicht eingegangen, weil der für beide Konzepte in etwa gleich ist.

Hallo

Für eine Endgeschwindigkeit von 100 km/s würde
man rund 7-8 Jahre brauchen.

Nicht zu vergessen die 7-8 Jahre für den Bremsweg um nicht am
Ziel vorbei zu schießen.

Richtig.

Altern. könnte zum Bremsen auch die Schwerkraft eines Planeten
oder Sonne genutzt werden.

Eher nicht, weil dich ja vorher die gleiche Schwerkraft die dich abbremst, zuvor anzieht. Du baust also im wesentlichen nur das ab, was dir der Stern/Planet vorher zugeführt hat, ist also grob gesehen ein Nullsummenspiel.

Was man aber machen könnte ist, dass man einfach in eine Umlaufbahn um einen Stern geht. Dann könnte man als Energiequelle zum Abbremsen das Sonnenlicht des Sterns nutzen. Oder man könnte das Raumschiff selbst in einer engen Umlaufbahn lassen und nur einen Landegleiter abbremsen. Dann braucht man zum zurückfliegen nicht das ganze Raumschiff mit all dem Treibstoff erneut komplett beschleunigen sondern muss nur noch ein bisschen beschleunigen um das Gravitationsfeld des Sterns wieder zu verlassen.
Allerdings geht das auch nur bis zu einer gewissen Geschwindigkeit, einige wenige 100 km/s. Schnellere Bahnen sind um normale Sterne nicht mehr möglich. Falls es einen kompakten Sternrest (Neutronenstern, Schwarzes Loch, Brauner/Weißer Zwerg) in der Nähe gäbe, könnte man das Raumschiff allenfalls dort noch „parken“. Das ginge dann noch bis zu deutlich höheren Geschwindigkeiten.

Auch zum Wegfliegen könnte man erst um den eigenen Stern kreisen und dessen Licht als Energiequelle nutzen, um zumindest so 100 km/s zu erreichen. Wenn man 500 km/s anstrebt, dann hat man so zumindest schon 20% der Geschwindigkeit erreicht.

vg,
d.

Hallo,

Und vor allem würde uns auch das nicht *wesentlich* weiter
bringen, weil das maximal vielleicht den Faktor 3-4 an
Mehrleistung bringt

Bist Du sicher, dass du nicht 3-4 Größenordnungen meinst?

Ja, oder wie willst du auf 3-4 Größenordnungen kommen? Die frei werdende Energie kannst du maximal zu 100% nutzen. Und ein nuklearelektrischer Antrieb hat einen Wirkungsgrad von 20-30%. Der nuklearthermische kann also maximal um das 3-5fache besser sein, wenn er 100% Wirkungsgrad hätte. Wie willst du da auf 3-4 Größenordnungen kommen?

Auf den spezifischen Impuls bin ich nicht eingegangen, weil
der für beide Konzepte in etwa gleich ist.

Theoretisch natürlich schon. Aber es geht ja darum, was wir heute machen könnten. Mir ist jedenfalls kein Konzept für einen nuklearthermischen Antrieb bekannt, dass einen spezifischen Impuls von recht vielmehr als 5.000s hätte. Für nuklearelektrische Antriebe gibt es dagegen welche, die auf über 20.000s kommen und von denen es sogar schon Prototypen gibt.

vg,
d.

Wie willst du da auf 3-4 Größenordnungen kommen?

Mit einer um 3-4 Größenordnungen höheren Primärleistung. Eine flugfähige Version der NERVA lieferte beispielsweise bei 1,5 GW Leistung einen Schub von 250 kN und das war 60er-Jahre-Technologie. Das übertrifft die elektrische Leistung des SAFE-400 Reaktors um den Faktor 15.000 und um den gleichen Schub mit Dual Stage 4-Grid Ionentriebwerken zu erreichen, bräuchtest Du 50 Millionen Stück von der Sorte:

http://erps.spacegrant.org/uploads/images/images/iep…

Mir ist jedenfalls kein Konzept für
einen nuklearthermischen Antrieb bekannt, dass einen
spezifischen Impuls von recht vielmehr als 5.000s hätte.

Ich dachte an eine Salzwasserrakete:

http://en.wikipedia.org/wiki/Nuclear_salt-water_rocket

Technisch einfacher, aber dafür höchstens mit dem Schub eines Ionentriebswerks wäre das hier:

http://en.wikipedia.org/wiki/Fission-fragment_rocket

Für
nuklearelektrische Antriebe gibt es dagegen welche, die auf
über 20.000s kommen und von denen es sogar schon Prototypen
gibt.

Dass es keine modernen Prototypen von nuklearthermischen Triebwerken gibt, hat keine technischen, sondern politische Ursachen. Diese Geräte fallen unter das Verbot oberirdischer Nukleartests und der Militarisierung des Weltalls. Solche Einschränkungen waren in der Frage von Aqib aber ausdrücklich ausgeschlossen worden.

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Nuklearelektrischer vs Nuklearthermischer Antrieb
Hallo,

Wie willst du da auf 3-4 Größenordnungen kommen?

Mit einer um 3-4 Größenordnungen höheren Primärleistung. Eine
flugfähige Version der NERVA lieferte beispielsweise bei 1,5
GW Leistung einen Schub von 250 kN und das war
60er-Jahre-Technologie.

Ja und?
Ein Raumschiff mit NERVA-Antrieb hätte gegen eine DS4G/SAFE-400 Kombo überhaupt keine Chance, eine hohe Geschwindigkeit (>100 km/s) zu erreichen. Natürlich hat es viel mehr Schub, das nützt aber überhaupt nichts, weil du dafür so unverhältnismäßig viel Stützmasse brauchst. Und wie viel Stützmasse du brauchst, das hängt eben extrem vom Spezifischen Impuls ab. Wichtig ist ja nicht, wieviel Schub du absolut hast, sondern das Verhältnis Schub zu Gesamtmasse des Raumschiffs.

Rechne doch einfach mal durch, wie lange du mit welchem Triebwerk brauchst, um eine bestimmte Geschwindigkeit zu erreichen und wie viel Treibstoff du dafür brauchst:

Ich hab das mal für 5 Fälle bei einer Nutzlast von 15 Tonnen gemacht:

Drei verschiedene Konfigurationen von DS4G/SAFE-400

  1. eine mit minimalem Schub (nur eine einzige DS4G/SAFE-400 Kombi)

  2. eine mit leicht erhöhtem Schub (40 Stück DS4G/SAFE-400)

  3. eine (nur zum Jux) mit dem gleichen Schub wie NERVA-2/NTR (370 tausend (!) Stück DS4G/SAFE-400)

  4. NERVA

  5. NERVA 2/NTR

    .---------------.---------------.---------------.---------------.---------------.
    | DS4G/SAFE-400 | DS4G/SAFE-400 | DS4G/SAFE-400 | NERVA-2/NTR | NERVA |
    .--------------------------|---------------|---------------|---------------|---------------|---------------|

    Anzahl 1 40 371.000 1 1
    Spezifscher Impuls 21.400 s 21.400 s 21.400 s 925 s 825 s
    -------------------------- --------------- --------------- --------------- --------------- ---------------
    Austrittsgeschwindigkeit 210 km/s 210 km/s 210 km/s 9.074 m/s 8.090 m/s
    -------------------------- --------------- --------------- --------------- --------------- ---------------
    Leistung 0,1 MW 4 MW 37.100 MW 1.100 MW 4.500 MW
    -------------------------- --------------- --------------- --------------- --------------- ---------------
    Schub 0,0009 kN 0,036 kN 334 kN 333 kN 867 kN
    -------------------------- --------------- --------------- --------------- --------------- ---------------
    Massenfluss 0,0043 g/s 0,00017 kg/s 1,59 kg/s 36,70 kg/s 107,17 kg/s
    -------------------------- --------------- --------------- --------------- --------------- ---------------
    Leergewicht Antrieb 1200 kg 48 t 445.200 t 27 t 34 t
    -------------------------- --------------- --------------- --------------- --------------- ---------------
    Nutzlast 15 t 15 t 15 t 15 t 15 t
    -------------------------- --------------- --------------- --------------- --------------- ---------------
    Leergewicht Gesamt 16 t 63 t 445.215 t 42 t 49 t

    °--------------------------°---------------°---------------°---------------°---------------°---------------°

    Angestrebte Endgeschwindigkeit: 50 km/s
    .--------------------------.---------------.---------------.---------------.---------------.---------------.

    Treibstoff/Stützmasse 4,4 t 17 t 120.000 t 10.300 t 23.600 t
    Gesamtmasse 21 t 80 t 565.000 t 10.400 t 23.700 t
    -------------------------- --------------- --------------- --------------- --------------- ---------------
    Dauer bis zum Erreichen
    der Endgeschwindigkeit 32,2 Jahre 3,1 Jahre 2,4 Jahre 3 Tage 3 Tage

    °--------------------------°---------------°---------------°---------------°---------------°---------------°

    Angestrebte Endgeschwindigkeit: 100 km/s
    .--------------------------.---------------.---------------.---------------.---------------.---------------.

    Treibstoff/Stützmasse 10 t 38 t 272.000 t 2.570.000 t 11.400.000 t
    Gesamtmasse 26 t 101 t 717.000 t 2.570.000 t 11.400.000 t
    -------------------------- --------------- --------------- --------------- --------------- ---------------
    Dauer bis zum Erreichen
    der Endgeschwindigkeit 73,1 Jahre 7,1 Jahre 5,4 Jahre 2,2 Jahre 3,4 Jahre

    °--------------------------°---------------°---------------°---------------°---------------°---------------°

    Angestrebte Endgeschwindigkeit: 125 km/s
    .--------------------------.---------------.---------------.---------------.---------------.---------------.

    Treibstoff/Stützmasse 13 t 51 t 362.000 t 40.300.000 t 252.000.000 t
    Gesamtmasse 29 t 114 t 808.000 t 40.300.000 t 252.000.000 t
    -------------------------- --------------- --------------- --------------- --------------- ---------------
    Dauer bis zum Erreichen
    der Endgeschwindigkeit 98 Jahre 10 Jahre 7,2 Jahre 35 Jahre 74 Jahre

    °--------------------------°---------------°---------------°---------------°---------------°---------------°

    Angestrebte Endgeschwindigkeit: 150 km/s
    .--------------------------.---------------.---------------.---------------.---------------.---------------.

    Treibstoff/Stützmasse 17 t 66 t 464.000 t 6,34 * 10^8 t 5,53 * 10^9 t
    Gesamtmasse 33 t 129 t 910.000 t 6,34 * 10^8 t 5,53 * 10^9 t
    -------------------------- --------------- --------------- --------------- --------------- ---------------
    Dauer bis Erreichen
    der Endgeschwindigkeit 125 Jahre 12 Jahre 9,3 Jahre 548 Jahre 1.640 Jahre

    °--------------------------°---------------°---------------°---------------°---------------°---------------°

    Angestrebte Endgeschwindigkeit: 300 km/s
    .--------------------------.---------------.---------------.---------------.----------------.----------------.

    Treibstoff/Stützmasse 51 t 66 t 464.000 t 9,58 * 10^15 t 6,24 * 10^17 t
    Gesamtmasse 68 t 129 t 910.000 t 9,58 * 10^15 t 6,24 * 10^17 t
    -------------------------- --------------- --------------- --------------- ---------------- ----------------
    Dauer bis Erreichen
    der Endgeschwindigkeit 380 Jahre 37 Jahre 28 Jahre 8,3 Mrd. Jahre 185 Mrd. Jahre

    °--------------------------°---------------°---------------°---------------°----------------°----------------°

Wie du siehst, ist der hohe Schub für die NERVAs nur am Anfang bis zu einer Geschwindigkeit von 100 km/s ein Vorteil. Bis da hin skaliert das ungefähr (eigentlich ziemlich gut bis 75 km/s). Darüber bricht das völlig ein, weil Treibstoff und die Zeit bis zum Erreichen der Geschwindigkeit bis ins Unermessliche steigen. 300 km/s damit zu erreichen, ist utopisch, denn dafür fehlt hier einfach der nötige Spezifische Impuls. Für Missionen im Sonnensystem wären die NERVA-Triebwerke daher im Vorteil. Auf 50 km/s in 3 Tagen, das ist natürlich schon super. 75 km/s ließen sich in etwas über einem Monat erreichen, zum Uranus könnte man so in unter einem Jahr fliegen.

Aber spätestens ab 100 km/s ist damit Schluss. Dann skaliert das nicht mehr, und der hohe Schub, der dir auf so kurzen Distanzen noch den geringeren Spezifischen Impuls ausgleicht, ist für die Katz.

Wie man sieht, braucht man bei den DS4G da auch überhaupt nicht versuchen den Schub eines NERVA-Triebwerks zu erreichen. Dazu wären über 370.000 (370 tausend!!) SAFE-400-Reaktoren mit DS4G-Triebwerken nötig. Das ist natürlich total unrealistisch. Und vor allem sieht man, dass das gar nicht nötig ist und ohnehin kaum etwas bringt. Bereits 40 Stück DS4G/SAFE-400 reichen aus, um im Prinzip das gleiche Ergebnis zu bringen. Und ein Raumschiff mit 40 DS4G/SAFE-400 hat gerade mal etwa 50 Tonnen Gewicht und wäre problemlos zu konstruieren.

So sticht die DS4G-Kombo mit gerade mal 4 MW Leistung das Gigawatt-starke NERVA ab Geschwindigkeiten von 100 km/s völlig aus. Es bringt hier auch kaum etwas, mehrere NERVAs zusammen zu schließen. Hier fehlt einfach der Isp.

Ab 300 km/s skaliert aber auch das nicht mehr, dann würde man noch ein höhere Ausstoßgeschwindigkeit benötigen.

Das übertrifft die elektrische
Leistung des SAFE-400 Reaktors um den Faktor 15.000 und um den
gleichen Schub mit Dual Stage 4-Grid Ionentriebwerken zu
erreichen, bräuchtest Du 50 Millionen Stück von der Sorte:
http://erps.spacegrant.org/uploads/images/images/iep…

Um denselben Schub zu erreichen, bräuchtest du in der Tat rund 371.000 SAFE-400 Reaktoren die über 50 Mio. der von dir verlinkten D4SG-Engines antreiben. Aber wie oben demonstriert, ist das ein sinnloses Unterfangen, weil bereits 40 SAFE-400 Reaktoren locker ausreichen.

Mir ist jedenfalls kein Konzept für
einen nuklearthermischen Antrieb bekannt, dass einen
spezifischen Impuls von recht vielmehr als 5.000s hätte.

Ich dachte an eine Salzwasserrakete:
http://en.wikipedia.org/wiki/Nuclear_salt-water_rocket

Naja, schön und gut, aber es ging um aktuell

Für nuklearelektrische Antriebe gibt es dagegen welche, die auf
über 20.000s kommen und von denen es sogar schon Prototypen
gibt.

Dass es keine modernen Prototypen von nuklearthermischen
Triebwerken gibt, hat keine technischen, sondern politische Ursachen.

Wieso? Es gibt doch eine ganze Reihe von nuklearthermischen Prototypen. KIWI, NERVA, PHOEBUS, die sowjetische RD-Serie…

Diese Geräte fallen unter das Verbot oberirdischer
Nukleartests und der Militarisierung des Weltalls.

Wie kommst du da drauf? Und wieso gibt es dann nuklearthermische Prototypen, die bis in die 90er hinein erforscht und erprobt wurden?

Solche
Einschränkungen waren in der Frage von Aqib aber ausdrücklich
ausgeschlossen worden.

Aber sie sollten aktuell realisierbar sein. Und ich bezweifle mal, dass wir zeitnah einen dieser NSWRs wie in dem Wikiartikel mit 427 Gigawatt (was etwa der Leistung aller AKWs auf der ganzen Welt entspricht) bauen könnten. Eine Rakete mit DS4G/SAFE-400 wäre dagegen schnell gebaut und besteht sogar aus schon erprobten Bestandteilen. Das Dinge würde gerade mal knapp über 160 Tonnen wiegen um auf 200 km/s zu kommen. Im Gegensatz zu den rund 160 Milliarden (!) Tonnen, die ein NERVA-Konzept dafür in noch dazu viel längerer Flugzeit bräuchte.

Ich bin jedenfalls nach meiner Rechnung immer noch davon überzeugt, dass derzeit nur nuklearelektrische Antriebe so weit erforscht sind, dass wir sie derzeit in einem realistischen Rahmen benutzen könnten, um wirklich hohe Geschwindigkeiten zu erreichen. Nuklearthermische sind aufgrund des hohen Schubs eher für Geschwindigkeiten

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Wie willst du da auf 3-4 Größenordnungen kommen?

Mit einer um 3-4 Größenordnungen höheren Primärleistung. Eine
flugfähige Version der NERVA lieferte beispielsweise bei 1,5
GW Leistung einen Schub von 250 kN und das war
60er-Jahre-Technologie.

Ja und?

Du hast gefragt und ich habe geantwortet.

Ein Raumschiff mit NERVA-Antrieb hätte gegen eine
DS4G/SAFE-400 Kombo überhaupt keine Chance, eine hohe
Geschwindigkeit (>100 km/s) zu erreichen.

Davon abgesehen,dass davon nirgends die Rede war (es ging in diesen Beispiel nur um Schub und Leistung), schafft das auch kein heute existierendes Ionentriebwerk.

Mir ist jedenfalls kein Konzept für
einen nuklearthermischen Antrieb bekannt, dass einen
spezifischen Impuls von recht vielmehr als 5.000s hätte.

Ich dachte an eine Salzwasserrakete:
http://en.wikipedia.org/wiki/Nuclear_salt-water_rocket

Naja, schön und gut, aber es ging um aktuell

Ich zitiere aus der urspruenglichen Frage:
„Auf wie viel Prozent / Promille der Lichtgeschwindigkeit könnten wir es nach heutigem Stand der Wissenschaft im Vakuum bringen? Welche Antriebsmethoden stehen hierbei zur Auswahl und welche Aussichten haben wir bezüglich zukünftiger Entwicklungen dahingehend ?“

Für nuklearelektrische Antriebe gibt es dagegen welche, die auf
über 20.000s kommen und von denen es sogar schon Prototypen
gibt.

Dass es keine modernen Prototypen von nuklearthermischen
Triebwerken gibt, hat keine technischen, sondern politische Ursachen.

Wieso? Es gibt doch eine ganze Reihe von nuklearthermischen
Prototypen. KIWI, NERVA, PHOEBUS, die sowjetische RD-Serie…

Ich sprach von modernen Prototypen. Zwischen NERVA und DS4G liegt ein halbes Jahrhundert.

Diese Geräte fallen unter das Verbot oberirdischer
Nukleartests und der Militarisierung des Weltalls.

Wie kommst du da drauf?

Ein Hauptziel des Vertrages über das Verbot von Kernwaffenversuchen in der Atmosphäre, im Weltraum und unter Wasser war die Reduzierung des radioaktiven Fallouts. Damit betrifft er nicht nur atomare Sprengkoepfe, sondern auch Konstruktionen mit offenen Kernreaktoren. Damit war also nicht nur Projekt Orion, sondern auch NERVA und Co. endgueltig gestorben.

Und wieso gibt es dann
nuklearthermische Prototypen, die bis in die 90er hinein
erforscht und erprobt wurden?

Mir sind keine bekannt.

Aber sie sollten aktuell realisierbar sein.

Siehe oben: Sie sollten „nach heutigem Stand der Wissenschaft“ realisierbar sein.
Und selbst wenn es darum ginge, was heute realisierbar ist, setzt das nicht voraus, dass es bereits realisiert wurde.

Und ich bezweifle
mal, dass wir zeitnah einen dieser NSWRs wie in dem
Wikiartikel mit 427 Gigawatt (was etwa der Leistung aller AKWs
auf der ganzen Welt entspricht) bauen könnten.

Und ich bezweifle, dass man zeitnah einen nuklearelektrischen Ionenantrieb fuer eine Betriebsdauer von mehreren Jahrzehnten bauen kann. Selbst ein Zehntel der fuer eine Endgeschwindigkeit von 100 km/s notwendigen 72 Jahren sind kaum zu schaffen und damit kommt man nur auf laecherliche 12 km/s. Also wenn Du schon so grossen Wert auf zeitnahe Realisierbarkeit legst, dann sei damit bitte auch konsequent.

Hallo,

Ein Raumschiff mit NERVA-Antrieb hätte gegen eine
DS4G/SAFE-400 Kombo überhaupt keine Chance, eine hohe
Geschwindigkeit (>100 km/s) zu erreichen.

Davon abgesehen,dass davon nirgends die Rede war (es ging in
diesen Beispiel nur um Schub und Leistung),

Ähm, die Ursprungsfrage war:
„Auf wie viel Prozent / Promille der Lichtgeschwindigkeit könnten wir es nach heutigem Stand der Wissenschaft im Vakuum bringen?“

Es ging also definitiv darum, wie schnell wir mit heutiger Technik fliegen können. Es ging *nicht* darum, welches Triebwerk den meisten Schub bringt. Wie ich dir vorgerechnet habe, ist das für diese Frage überhaupt kein wichtiger Aspekt.

schafft das auch kein heute existierendes Ionentriebwerk.

100 km/s wären problemlos mit heute existierenden Ionentriebwerken erreichbar. Das habe ich doch gerade vorhin vorgerechnet.

Ein Raumschiff zu bauen, dass mit SAFE-400 als Energiequelle und DS4G-Triebwerken als Antrieb ausgestattet ist, wäre völlig im Rahmen unserer heutigen Ingenieurskunst. Und das Ding wäre auch weder übermäßig groß noch unbezahlbar.

Um eine 5 Tonnen schwere unbemannte Sonde innerhalb von 10 Jahren auf 100 km/s zu bringen, würdest du gerade mal 5 SAFE-400 benötigen, die die DS4G-Triebwerke anfeuern. Das ganze Raumschiff würde gerade mal 18 Tonnen all-inclusive wiegen. Zum Vergleich: Die Apollo-Fähren waren rund doppelt so schwer. Damit wären Missionen weit ins äußere Sonnensystem möglich. Allein in diesen 10 Jahren hätte man Voyager 1 überholt.

Und selbst ein bemanntes Raumschiff könnte man innerhalb von 9 Jahren auf 100 km/s bringen. Dazu würdest du dann etwa 40 SAFE-400 mit DS4G-Triebwerken benötigen. Das ganze Raumschiff würde dinklusive 2 Astronauten und Essen/Trinken/Sauerstoff für 9 Jahre etwa 130 Tonnen wiegen. Das ist etwa das vierfache von den Apollo-Fähren. Zwar schon ganz schön aufwändig, aber durchaus machbar.

Ich zitiere aus der urspruenglichen Frage:
„Auf wie viel Prozent / Promille der Lichtgeschwindigkeit
könnten wir es nach heutigem Stand der Wissenschaft im Vakuum
bringen? Welche Antriebsmethoden stehen hierbei zur Auswahl
und welche Aussichten haben wir bezüglich zukünftiger
Entwicklungen dahingehend ?“

Mir ist die ursprüngliche Frage durchaus klar. Ich kam ja deshalb auch nicht mit der Begründung des höheren Schubs daher, den nuklearthermische Antriebe derzeit haben. Damit man damit aber hohe Geschwindigkeiten erreicht, bräuchten diese Antriebe einen um Welten höheren spezifischen Impuls, als die Sachen, an denen bis dato geforscht wurde. Solche Sachen sind allenfalls Zukunftsmusik (was aus deinen Antworten nicht hervorging) und bis dahin entwickeln sich ja auch elektrische Antriebe weiter.

Wieso? Es gibt doch eine ganze Reihe von nuklearthermischen
Prototypen. KIWI, NERVA, PHOEBUS, die sowjetische RD-Serie…

Ich sprach von modernen Prototypen. Zwischen NERVA und DS4G
liegt ein halbes Jahrhundert.

Ganz toll. Pick dir einfach das aus meiner Aufzählung heraus, dass die am opportunsten ist. An der sowjetischen RD-Serie wurde bis Anfang der 90er Jahre geforscht. Auch diese Antriebe hatten keinen nennenswert höheren spezifischen Impuls.

Und wie gesagt:
SAFE-400 und DS4G sind Techniken, die uns HEUTE zur Verfügung stehen. Wenn du jetzt noch 20 Jahre forscht an deinen thermischen Antrieben, dann bleiben die elektrischen Antriebe in ihrer Entwicklung ja auch nicht stehen.

Ein Hauptziel des Vertrages über das Verbot von
Kernwaffenversuchen in der Atmosphäre, im Weltraum und unter
Wasser war die Reduzierung des radioaktiven Fallouts. Damit
betrifft er nicht nur atomare Sprengkoepfe, sondern auch
Konstruktionen mit offenen Kernreaktoren.

Blödsinn. Der Vertrag sagt lediglich:

Each of the Parties to this Treaty undertakes to prohibit, to 
prevent, and not to carry out any <u>nuclear weapon test explosion, or <br>any other nuclear explosion</u>, at any place under its jurisdiction or 
control:

Dort ist explizit und ausschließlich von „nuclear explosions“ die Rede. Kein Wort steht da irgendwas davon, dass nukleare Raumantriebe davon betroffen gewesen wären. Dass deine Behauptung keinen Sinn ergibt, zeigt ja auch die Tatsache, dass man dutzende von oberirdischen Tests von nuklearthermischen Triebwerken noch Jahre nach Abschluss des Vertrags (1963) weiter durchgeführt hat. Und die Russen hat das auch nicht gehindert, an ihrem RD-Programm bis in die 90er Jahre hinein zu forschen.

Oder wie erklärst du dir diesen NERVA-Test im Jahr 1968?
http://history.nasa.gov/SP-4221/p107.jpg

Mit der Entwicklung einiger Experimentaltriebwerke begann man auch erst nachdem der Vertrag 1963 geschlossen wurde. :

„NERVA NRX (Nuclear Rocket Experimental), started testing in September 1964.
http://en.wikipedia.org/wiki/Nuclear_thermal_rocket

Damit war also nicht nur Projekt Orion, sondern auch NERVA und Co.
endgueltig gestorben.

Lieber DrStupid, ich schätze deine Beiträge ja üblicherweise sehr hier, aber jetzt hast du dich wirklich soweit verrannt, dass es langsam lächerlich wird. Sind wir jetzt soweit, dass du einfach „Tatsachen“ erfindest, um deine Argumentation zu „stützen“?

NASA’s budget had been declining steadily since its peak in 1965. During Apollo’s final years from 1969 to 1972 there was intense debate in Washington regarding two costly NASA programs: the proposed space shuttle and the existing NERVA rocket. The flight-testing phase of NERVA had been cancelled years before, and the timetable for the anticipated missions to Mars slipped indefinitely into the future. In the end, the shuttle was approved, and NERVA was be omitted from NASA’s fiscal year 1973 budget.

http://pbhistoryb1b3.grc.nasa.gov/ShutdownAndDemolit…

Das NERVA Programm wurde schlicht deshalb gestrichen, weil die NASA kein Geld mehr dafür bekam. Das Rennen um die technologische Vorherrschaft im Weltraum hatten die Amerikaner gewonnen und die Politik war nicht mehr bereit, weiter so viel Geld für Raumfahrt auszugeben. Mit dem Vertrag über das Verbot von Kernwaffenversuchen hatte das nichts, absolut gar nichts, zu tun.

Und wieso gibt es dann
nuklearthermische Prototypen, die bis in die 90er hinein
erforscht und erprobt wurden?

Mir sind keine bekannt.

Das wundert mich angesichts deiner abenteuerlichen Ansichten oben auch nicht.
Wie wärs mit den russischen RD-Triebwerken? Von dieser wurden sogar bis 1988 Experimentaltriebwerke gebaut und getestet, bis das Programm um 1994 nach dem Zusammenbruch der Sowjetunion endgültig eingestellt wurde.

"Thirty simulated flights were conducted from 1970 to 1988 without failure. It was eventually proposed that two engines would be derived from this work: the RD-0410, a ‚minimum‘ engine, of 3.5 tonnes thrust; and later the RD-0411, a 70 tonne thrust engine. "
http://www.astronautix.com/articles/sovermal.htm

Auch deren Designs kamen aber nicht über einen spezifischen Impuls von 1000s hinaus.

Und ich bezweifle, dass man zeitnah einen nuklearelektrischen
Ionenantrieb fuer eine Betriebsdauer von mehreren Jahrzehnten
bauen kann. Selbst ein Zehntel der fuer eine
Endgeschwindigkeit von 100 km/s notwendigen 72 Jahren sind
kaum zu schaffen und damit kommt man nur auf laecherliche 12
km/s. Also wenn Du schon so grossen Wert auf zeitnahe
Realisierbarkeit legst, dann sei damit bitte auch konsequent.

Ja, mit Blödsinn kannst du natürlich alles begründen. Ein Raumschiff mit SAFE-400 Reaktoren und DS4G-Triebwerken würde keine 72 Jahre für 100 km/s brauchen. Das schafft es problemlos in unter 10 Jahren und 12 km/s schafft es schon in einem knappen Jahr.

Und falls du es nicht glaubst, dann rechne es bitte nach und poste hier mal deine Rechung, bevor du einfach wieder irgendwelches Zeug erfindest. Außer heißer Luft hast du bis jetzt nicht viel gebracht hier und nachdem so viel von deiner heißen Luft auch noch falsch war, sehe ich keinen Grund, dir irgendwas in dieser Frage zu glauben, ohne dass du das nachvollziehbar belegst.

vg,
d.

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Um eine 5 Tonnen schwere unbemannte Sonde innerhalb von 10
Jahren auf 100 km/s zu bringen, würdest du gerade mal 5
SAFE-400 benötigen, die die DS4G-Triebwerke anfeuern.

Mit 4 Timberwind 75 geht das auch: Die Triebwerke wiegen zusammen 10 Tonnen und liefern einen Gesamtschub von knapp 3 MN. Bei einer Brenndauer von einer Stunde verbrauchen sie ungefähr 1080 Tonnen Treibstoff. Den kann man z.B. in einem kugelförmigen Tank mit rund 31 Meter Durchmesser unterbringen. Die Hülle könnte im Wesentlichen aus einem Gewebe mit hoher Zugfestigkeit (z.B. Kevlar) bestehen, die innen gasdicht beschichtet ist und außen zur Wärmedämmung von mehreren Lagen dünner Metallfolie umhüllt wird. Für die Stabilität sorgt der Druck im Inneren. Es sollte kein Problem sein, das Flächengewicht der Hülle auf 10 kg/m² zu begrenzen. Damit würde der Tank 30 Tonnen auf die Waage bringen. Die ganze Konstruktion hätte dann eine Startmasse von 1125 Tonnen.

Aus der Erdbahn heraus muss man das Ding dann - hinter einem Hitzeschild versteckt - möglichst weit in Richtung Sonne manövrieren. Das ist der langwierigste Teil deer Startphase, weil das sinnvollerweise durch Swing-By-Manöver an den inneren Planeten geschieht, um nicht sinnlos Energie zu vergeuden. Wenn es gelingt, das Schiff ohne nennenswerte Änderung der Bahnenergie bis auf 10 Million km an die Sonne heranzubringen, dann würde es dabei durch deren Gravitationskraft von rund 30000 km/s auf 161 km/s beschleunigt werden. Ein ebener Hitzeschild würde sich dabei auf maximal 1500 K aufheizen. Das sollte kein Problem darstellen, zumal man die Temperatur durch Verspiegelung deutlich senken könnte.

Jetzt versetzt man das Schiff in eine langsame Rotation um die Längsachse und zündet die Triebwerke. Dabei verläßt das Schiff den Schatten des Hitzeschildes und wird von der Sonne außen auf maximal 1100 K erhitzt (mit Verspiegelung deutlich weniger). Durch hinreichend viele Folienschichten könnte man die Innentemperatur zwar weiterhin auf den Siedepunkt des flüssigen Wasserstoffs senken, aber das ist gar nicht wünschenswert, weil genug Wasserstoff verdampfen muss, um den Innendruck trotz des ausströmednen Treibstoffs (4,3 m³/s) konstant zu halten. Die dafür notwendige Energie liefert die Sonne kostenlos.

Während der Beschleunigung steigt die Geschwindigkeit um 32 km/s auf 192 km/s. Danach werden die Reaktoren abgeworfen und die Nutzlast löst sich vom Tank, um in dessen Schatten ohne Antrieb weiterzufliegen. Auf seinem Weg aus dem Sonnensystem wird sie zwar von der Gravitation der Sonne gebremst, aber ihre Geschwindigeit bleibt dauerhaft oberhalb von 101 km/s.

Dieser Trick funktioniert nur wegen der hohen Beschleunigung (in diesem Fall bis zu 6,7 g bei Brennschluss). Mit einem Ionentriebwerk kann man sich die Gravitation der Sonne nicht zunutze machen - im Gegenteil sie ist sogar im Wege. Von den von Dir veranschlagten Geschwindigkeiten musst Du (grob geschätzt) die 12 km/s abziehen, die zwischen der Bahngeschwindigkeit in der Erdbahn und der dritten kosmischen Geschwindigkeit liegen. Wenn man dichter an die Sonne heranfliegt, dann geht das Ganze auch noch deutlich schneller. Die Grenzgeschwindigkeit hängt also im Wesentlichen von der Qualität des Hitzeschildes ab. Bis zu 150 km/s dürften mit heute verfügbaren Mitteln machbar sein.

Ich zitiere aus der urspruenglichen Frage:
„Auf wie viel Prozent / Promille der Lichtgeschwindigkeit
könnten wir es nach heutigem Stand der Wissenschaft im Vakuum
bringen? Welche Antriebsmethoden stehen hierbei zur Auswahl
und welche Aussichten haben wir bezüglich zukünftiger
Entwicklungen dahingehend ?“

Mir ist die ursprüngliche Frage durchaus klar. Ich kam ja
deshalb auch nicht mit der Begründung des höheren Schubs
daher, den nuklearthermische Antriebe derzeit haben.

Der höhere Schub war keine Begründung für irgendwas, sondern lediglich ein zusätzlicher Vorteil nuklearthermischer Triebwerke. An das oben beschriebene gravity-assist hatte ich dabei nämlich noch gar nicht gedacht. Ich hatte - wie bereits gesagt - eine Salzwasserrakete im Sinn, für die bei Wikipedia ein spezifischer Impuls von 10000 s und ein Schub von 10 MN angegeben wird (http://de.wikipedia.org/wiki/Antriebsmethoden_für_di…) und ich habe keine begründeten Zweifeln, dass das dem Stand der Wissenschaft entspricht. Dieser spezifische Impuls ist durchaus mit Ionentriebwerken vergleichbar. Der höhere Schub kommt als zusätzlicher Vorteil dazu.

Wie wärs mit den russischen RD-Triebwerken? Von dieser wurden
sogar bis 1988 Experimentaltriebwerke gebaut und getestet, bis
das Programm um 1994 nach dem Zusammenbruch der Sowjetunion
endgültig eingestellt wurde.

Die Triebwerke sind mir zwar bekannt, aber ich bin überrascht, dass die solange getestet wurden.

Auch deren Designs kamen aber nicht über einen spezifischen
Impuls von 1000s hinaus.

Niemand hat etwas anderes behauptet. Ich habe doch klar und deutlich geschrieben, an welche Antriebsmethoden ich ursprünglich dachte. NERVA habe ich (und ich war der Meindung, dass das offensichtlich ist) nur als experimentell bestätigtes Gegenbeispiel zu Deiner um viele Größenordnungen zu geringen Schätzug der Höchstleistung nuklearthermischer Antriebe angeführt - und zwar nachdem Du explizit gefragt hast, wie sowas geht. Mit der ursprünglichen Frage hatte das nur am Rande zu tun. War das tatsächlich so missverständlich?

Ja, mit Blödsinn kannst du natürlich alles begründen. Ein
Raumschiff mit SAFE-400 Reaktoren und DS4G-Triebwerken würde
keine 72 Jahre für 100 km/s brauchen. Das schafft es
problemlos in unter 10 Jahren und 12 km/s schafft es schon in
einem knappen Jahr.

Du bist bei Deiner Rechnung sogar auf 73,1 Jahre gekommen. Natürlich geht es mit mehr Triebwerken entsprechend schneller, aber bevor ich mich auf diese Werte einlasse, musst Du mir erklären, wie Du die Masse des Treibstofftanks berücksichtigt hast.

Hallo,

Um eine 5 Tonnen schwere unbemannte Sonde innerhalb von 10
Jahren auf 100 km/s zu bringen, würdest du gerade mal 5
SAFE-400 benötigen, die die DS4G-Triebwerke anfeuern.

Mit 4 Timberwind 75 geht das auch: […]
Wenn es gelingt, das Schiff ohne nennenswerte Änderung der
Bahnenergie bis auf 10 Million km an die Sonne heranzubringen,
dann würde es dabei durch deren Gravitationskraft von rund
30000 km/s auf 161 km/s beschleunigt werden. […]
Während der Beschleunigung steigt die Geschwindigkeit um 32
km/s auf 192 km/s. […] Auf seinem Weg aus dem Sonnensystem wird sie
zwar von der Gravitation der Sonne gebremst, aber ihre Geschwindigeit
bleibt dauerhaft oberhalb von 101 km/s.

Das ist zumindest das erste halbwegs glaubhafte Konzept, was man realisieren könnte. Aber im wesentlichen beschränkt sich das darauf, dass du etwa 70 km/s von der Sonne durch den Gravity-Assist geschenkt bekommst. Damit verschiebst du zwar die machbare Grenze um eben diesen Betrag nach oben, aber dennoch stößt du dann schnell an Grenzen. 200 km/s wirst du auf diese Weise z.B. schon nicht mehr erreichen. Das wäre mit DS4Gs aber problemlos möglich. Mit 10 SAFE-400 wäre diese Geschwindigkeit in knapp 20 Jahren zu erreichen. Die Sonde würde inklusive Treibstoff gerade mal 45 Tonnen wiegen. Würde man sich auch mit 25 Jahren bis zum Erreichen der Geschwindigkeit begnügen, dann würden sogar 5 SAFE-400 ausreichen und das Gesamtgewicht wäre nur 29 Tonnen. Sogar weniger als die Apollofähren. Nach 13 Jahren hätte man bereits Voyager 1 überholt, obwohl diese fast 40 Jahre Vorsprung hatte! Und nach 25 Jahren, am Ende der Beschleunigungsphase wäre man immerhin 500 AU von der Erde entfernt. Das ist 4x weiter weg als alles, was wir bis jetzt ins Weltall geschickt haben (also die Voyager-Sonden).

Außerdem: Wie willst du deine 1200 Tonnen schwere Konstruktion überhaupt in Richtung Sonne bringen? Dazu musst du schon mal das Erdschwerefeld verlassen und ich will ja nichts sagen, aber wir haben die Saturn-V gebraucht, um die 30 Tonnen von den Apollo-Fähren da raus zu bringen. Für dein Idee wären daher rund 40 (!) Saturn-V oder etwas äquivalentes nötig! Ich will ja nicht nörgeln, aber das scheint mir nicht gerade realistisch zu sein.

Die von mir genannten Raumschiffe sind sowohl schneller, technisch leicht umsetzbar als auch mit realistischen Trägersystemen ins All bringbar. Im wesentlichen reicht dafür eine einzige Saturn-V.

Mit einem
Ionentriebwerk kann man sich die Gravitation der Sonne nicht
zunutze machen - im Gegenteil sie ist sogar im Wege.

Das ist zwar richtig, aber dafür können sie dann eben auch 200 km/s oder höhere Geschwindigkeiten erreichen, und das schafft dein Timberwind trotz Gravity-Assist nicht mehr. Selbst für die 150 km/s müsstest du schon verdammt nahe an die Sonne dran.

Von den
von Dir veranschlagten Geschwindigkeiten musst Du (grob
geschätzt) die 12 km/s abziehen, die zwischen der
Bahngeschwindigkeit in der Erdbahn und der dritten kosmischen
Geschwindigkeit liegen.

Nö, ich muss eher noch 18 km/s draufrechnen, weil ich die 30 km/s der Bahngeschwindigkeit der Erde dann auch berücksichtigen darf. Denn die stecken in deiner Variante mit dem Gravity-Assist schließlich auch schon mit drin. Und in deinem Gravity-Assist steckt ja auch die Geschwindigkeit drin, die notwendig zur Überwindung des Erdschwerefelds ist (also rund 11 km/s). Die dürfte ich bei mir eigentlich auch noch berücksichtigen, und somit müsste ich auf meine Werte nochmal eher fast 30 km/s draufrechnen.

Die Grenzgeschwindigkeit hängt also im Wesentlichen von der
Qualität des Hitzeschildes ab. Bis zu 150 km/s dürften mit
heute verfügbaren Mitteln machbar sein.

Möglich. Mit DS4G sind aber mit heute verfügbaren Mitteln bereits höhere Geschwindigkeiten drin die man noch dazu mit realistischen Trägersystemen ins All bringen kann.

Auch deren Designs kamen aber nicht über einen spezifischen
Impuls von 1000s hinaus.

Niemand hat etwas anderes behauptet. Ich habe doch klar und
deutlich geschrieben, an welche Antriebsmethoden ich
ursprünglich dachte. NERVA habe ich (und ich war der Meindung,
dass das offensichtlich ist) nur als experimentell bestätigtes
Gegenbeispiel zu Deiner um viele Größenordnungen zu geringen
Schätzug der Höchstleistung nuklearthermischer Antriebe
angeführt - und zwar nachdem Du explizit gefragt hast, wie
sowas geht. Mit der ursprünglichen Frage hatte das nur am
Rande zu tun. War das tatsächlich so missverständlich?

Offensichtlich war es das. Und offenbar hast du meine Nachfrage auch missverstanden, weil dass diese Dinge einen höheren Schub bringen können, ist mir schon klar gewesen und dass es dort Triebwerke mit Reaktoren im GW-Bereich gibt auch. Aber diese Leistung kann ich ja auch durch eine Vielzahl an kleinen Reaktoren erreichen. 2500 Safe-400 haben schließlich auch einen Brutto-Leistung im GW-Bereich. Ich wollte wissen, inwiefern das helfen soll, eine möglichst hohe Geschwindigkeit zu erreichen.

Ja, mit Blödsinn kannst du natürlich alles begründen. Ein
Raumschiff mit SAFE-400 Reaktoren und DS4G-Triebwerken würde
keine 72 Jahre für 100 km/s brauchen. Das schafft es
problemlos in unter 10 Jahren und 12 km/s schafft es schon in
einem knappen Jahr.

Du bist bei Deiner Rechnung sogar auf 73,1 Jahre gekommen.

Nö, meine erste Rechung wies 7,1 Jahre mit 40 Stück SAFE-400 aus. Und nachdem du tausende Tonnen Treibstoff mitnimmst, werde ich wohl Reaktoren mit gerade mal 50 Tonnen mitnehmen dürfen, oder nicht? Die 73,1 Jahre bezogen sich auf ein Raumschiff mit nur einem einzigen SAFE-400 Reaktor als Energiequelle und das ist halt ein bisschen arg zu wenig Schub. Außerdem bezog sich das auf ein 15 Tonnen schweres Raumschiff, und kein 5 Tonnen schweres wie das was wir hier gerade diskutieren.

aber bevor ich mich auf diese Werte einlasse, musst Du mir
erklären, wie Du die Masse des Treibstofftanks berücksichtigt
hast.

Ganz einfach:
Ich habe mich an das gehalten, was erprobte Weltraumtechnik ist. Genauer gesagt habe ich einfach die Tanks der Dawn-Sonde verwendet. Die wiegen 24,31 kg und fassen 450 kg Xenon. Um z.B. eine 5 Tonnen Raumsonde innerhalb von 5 Jahren auf 100 km/s (wenn ich wie du die Bahngeschwindigkeit der Erde mit einrechne) zu bringen, reichen 10 SAFE-400/DS4G aus. Die wiegen 12 Tonnen. Der Tank wiegt 500 kg, der Treibstoff 7 Tonnen. Macht Summa sumarum ein Gesamtgewicht von 12+5+7+0,5 = 24,5 Tonnen. Lässt sich also problemlos mit einer Trägerrakete ins All bringen.

Eine 2 Tonnen schwere Sonne die 100 km/s in 10 Jahren erreicht würde sogar mit nur einem SAFE-400 Reaktor auskommen und würde nur 1300 kg Treibstoff brauchen. Das ganze wäre inklusive allem Drum-und-Dran leichter als 5 Tonnen und damit sogar mit einer heute existierenden Titan-IV Rakete ins All zu schießen. Somit wäre es mit Ionentriebwerken mit aktuell existierender Technik möglich, 100 km/s zu erreichen und ohne dass man ein Trägersystem dafür entwickeln müsste. Das ganze wäre sogar ziemlich billig und wohl schon für ca. 1 Milliarde EUR oder sogar billiger zu haben. Ich denke dass es auch nicht mehr lange dauern wird, bis wir so eine Mission ins äußere Sonnensystem sehen werden. Und v.a. kannst du ja bei günstiger Planetenstellung noch einige Swing-bys mitnehmen und damit noch schneller sein als die 100 km/s.

vg,
d.

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Damit verschiebst du zwar
die machbare Grenze um eben diesen Betrag nach oben, aber
dennoch stößt du dann schnell an Grenzen. 200 km/s wirst du
auf diese Weise z.B. schon nicht mehr erreichen.

Das ist richtig, aber der Unterschied ist nicht mehr so dramatisch, wie ursprünglich von Dir dargestellt. Aus dem Sonnensystem raus kommt man mit beiden Varianten und ob man bis zum nächsten Stern 12500 oder 25000 Jahre braucht, macht auch keinen wesentlichen Unterschied. Der Bereich in dem der Vorteil der Ionentriebwerke zum tragen kommt - nämlich der interstellare Raum - ist nach allem was wir heute wissen ausgesprochen langweilig.

Mit 10 SAFE-400 wäre diese
Geschwindigkeit in knapp 20 Jahren zu erreichen. Die Sonde
würde inklusive Treibstoff gerade mal 45 Tonnen wiegen. Würde
man sich auch mit 25 Jahren bis zum Erreichen der
Geschwindigkeit begnügen, dann würden sogar 5 SAFE-400
ausreichen und das Gesamtgewicht wäre nur 29 Tonnen. Sogar
weniger als die Apollofähren. Nach 13 Jahren hätte man bereits
Voyager 1 überholt, obwohl diese fast 40 Jahre Vorsprung
hatte! Und nach 25 Jahren, am Ende der Beschleunigungsphase
wäre man immerhin 500 AU von der Erde entfernt. Das ist 4x
weiter weg als alles, was wir bis jetzt ins Weltall geschickt
haben (also die Voyager-Sonden).

Wie hast Du das berechnet? Bei Beschleunigung in Flugrichtung komme ich mit 5 SAFE-400 in 25 Jahren selbst ohne Gravitationsverluste nur auf 460 AE. Mit Berücksichtigung der Gravitation komme ich bei einem Start mit 32,5 km/s (das ist die Startgeschwindigkeit für eine Transferbahn zum Mars) sogar nur auf 434 AE. Die oben beschriebene Timberwind-Konstruktion schafft die 500 AE mit denselben Startbedingungen nach einem Swing-By am Mars in 24 Jahren.

Außerdem: Wie willst du deine 1200 Tonnen schwere Konstruktion
überhaupt in Richtung Sonne bringen?

Mit einer geeigneten Unterstufe.

Dazu musst du schon mal
das Erdschwerefeld verlassen

Das musst Du aber auch. Damit die Rechnung nicht zu kompliziert wird, bin ich vereinfachend davon ausgegangen, dass die Raketen bereits aus der Hill-Sphäre der Erde geklettert sind. Wenn Du Spaß daran hast, kannst Du es ja gern mit einem Start aus dem unteren Erdorbit heraus durchrechnen.

und ich will ja nichts sagen,
aber wir haben die Saturn-V gebraucht, um die 30 Tonnen von
den Apollo-Fähren da raus zu bringen. Für dein Idee wären
daher rund 40 (!) Saturn-V oder etwas äquivalentes nötig!

Entweder das oder 7 Energija-Vulkan. Das ist natürlich ein hartes Stück Arbeit, aber unmöglich ist es nicht, zumal sich die Einzelteile (einschließlich des aufblasbaren Tanks) relativ handlich verpacken lassen. Wenn man es unbedingt wollte, dann würde es gehen.

Von den
von Dir veranschlagten Geschwindigkeiten musst Du (grob
geschätzt) die 12 km/s abziehen, die zwischen der
Bahngeschwindigkeit in der Erdbahn und der dritten kosmischen
Geschwindigkeit liegen.

Nö, ich muss eher noch 18 km/s draufrechnen, weil ich die 30
km/s der Bahngeschwindigkeit der Erde dann auch
berücksichtigen darf.

Wie schon oben muss ich auch hier fragen, wie Du das berechnet hast. Ich komme mit meiner Simulation beim Start mit 32,5 km/s aus der Erdbahn heraus und Beschleunigung in Flugrichtung für die Variante mit einem SAFE-400 nach einer Brenndauer von 73 Jahren auf eine Grenzgeschwindigkeit von 189 km/s. Da fehlen also 11 km/s. Allerdings habe ich mit meiner Schätzung nur zufällig richtig gelegen. Bei 5 SAFE-400 sind es nur noch 5 km/s weniger und bei 10 Stück 4,5 km/s. Mit wachsender Beschleunigung verringert sich also der Geschwindigkeitsverlust, aber wie hier ein Geschwindigkeitskeitsgewinn zustande kommen soll, kann ich nicht erkennen.

Denn die stecken in deiner Variante mit
dem Gravity-Assist schließlich auch schon mit drin. Und in
deinem Gravity-Assist steckt ja auch die Geschwindigkeit drin,
die notwendig zur Überwindung des Erdschwerefelds ist (also
rund 11 km/s).

Das alles habe ich in die Berechnung Deines Szenarios ebenfalls reingesteckt.

Die Grenzgeschwindigkeit hängt also im Wesentlichen von der
Qualität des Hitzeschildes ab. Bis zu 150 km/s dürften mit
heute verfügbaren Mitteln machbar sein.

Möglich. Mit DS4G sind aber mit heute verfügbaren Mitteln
bereits höhere Geschwindigkeiten drin die man noch dazu mit
realistischen Trägersystemen ins All bringen kann.

Habe ich schon erwähnt, dass ursprünglich gar nicht nach heute verfügbaren Mitteln gefragt wurde?