Top 10 konzeptionelle Raumfahrzeugmotoren

Das Starten eines Schiffes in den Weltraum ist ein teurer und langsamer Prozess seltsamer Wissenschaft und Technik. Grundsätzlich brauchen wir Raketen, extreme Motoren, die Hochgeschwindigkeits-Treibstoffabgase ausstoßen, um Schub zu erzeugen. Ihre Bedienung ist nach den Maßstäben des letzten Jahrhunderts ein technologisches Wunder, aber die Grundlagen sind ziemlich einfach. Bei erhöhtem Druck löst ein Zünder aus, dass der Kraftstoff zusammen mit einer Sauerstoffquelle (normalerweise flüssig) in einer Brennkammer explodiert. Das entstehende Fluid entweicht durch die Enddüse als Reaktionsmasse.

Im Gegensatz zu luftatmenden Jets können Raketen keine atmosphärischen Gase strömen lassen, um Bewegung zu erzeugen, da die Atmosphäre in Umlaufhöhen zu dünn wird. Ein Raketentriebwerk muss also seine eigene Abgasflüssigkeit antreiben, um Schub zu erhalten. Sieht einfach aus, aber die technischen Probleme beim Projektieren, Bauen, Zusammenbauen und Testen von betriebsbereiten Raumfahrzeugen erhöhen das Budget eines jeden Satcom-Starts.

Offensichtlich ist die Überwindung der Schwerkraft der Erde und das Erreichen des Weltraums die Grenze für die derzeitigen chemischen Raketen, die eine exotherme Reaktion als Antrieb verwenden. Glücklicherweise geht es in der angewandten Wissenschaft weniger darum, die Physik zu bekämpfen, als herauszufinden, wie ihre Gesetze günstig funktionieren können. Hier kommen 10 Konzepte von Raumfahrzeugantrieben, die den Horizont der Menschheit erweitern können.

10 Synergistischer Turbojet

Eine Methode zum Bau billigerer Raumfahrzeuge könnte der Single-Stage-to-Orbit-Ansatz (SSTO) sein, ein konzeptionelles Antriebssystem, das nicht auf Abwurfhardware angewiesen ist, um die Umlaufbahnhöhe zu erreichen. Während des Starts würde atmosphärische Luft verwendet, um die Brennreaktion des Motors zu speisen, wodurch das Tragen von zusätzlichem Oxidationsmittel vermieden und somit das Gewicht verringert wird.

Auf diesen Vorschlag hin entwarf das britische Unternehmen Reaction Engines Limited (REL) sein Raumflugzeug Skylon für den Betrieb mit SABRE, einem Konzept eines luftatmenden Motors. Um nur auf die eigene innere Hardware zu zählen, um Schub zu erhalten, kann SABRE zwischen zwei Betriebsarten wechseln – einem typischen Turbostrahl, der atmosphärische Luft zur Speisung der inneren Verbrennung benötigt, und einem herkömmlichen Raketentriebwerk mit Flüssigsauerstoffversorgung.

REL veröffentlichte einen Vorschlag für eine bemannte Reise zum Mars, bei der Skylon-Raumschiffe eingesetzt werden sollten, um die Missionsschiffe im Orbit zu bauen.

9 Thermische Kernrakete

Rosatom, ein russisches Staatsunternehmen, das interne Nuklearangelegenheiten verwaltet, baut einen Raketentriebwerk, dessen Fahrt von der Erde zum Mars nur 45 Tage dauern würde (gegenüber den derzeitigen 18 Monaten). Diese Technologie wird den während des Kalten Krieges entwickelten URSS für nukleare Thermoraketen (NTRs) ähneln. In einem Reaktor an Bord überhitzt die Energie, die durch die Spaltung von Atomen freigesetzt wird, das Arbeitsfluid, um einen hohen Druck und damit einen Schub zu erzeugen, wie dies bei Treibmittelverbrennungsreaktionen in einer chemischen Rakete der Fall ist. Aufgrund der Energiedichte von Kernbrennstoffen wiegen NTR-Motoren weniger und haben einen geringen Verbrauch.

Ebenso hat die NASA ihr NTR-Projekt 40 Jahre nach Abschluss des NERVA-Programms wiederbelebt, aber die Weltraumbehörde prüft auch ein höheres Spektrum an Möglichkeiten im Zusammenhang mit Kernkraft, wie fusionsgetriebene Raketen und nukleare Glühbirnen.

8 Thermischer Antimaterieantrieb

Jede physikalische Substanz im Universum besteht aus Materie; Materie besteht aus Teilchen, und für jedes Teilchen gibt es einen dunklen Zwilling – das Antiteilchen. Ein Antiteilchen hat alle Eigenschaften seines Gegenstücks, mit Ausnahme der entgegengesetzten Ladung. Wenn beide Zwillinge interagieren, vernichten sie sich gegenseitig und geben dabei viel Energie ab. Wissenschaftler der NASA wollen diese Kraft nutzen, um Raketentriebwerke in das interstellare Reisealter zu bringen.

Ähnlich wie bei NTRs würde die Antimaterie-Vernichtung das Arbeitsfluid erwärmen, um Schub zu erzeugen, jedoch mit einer exponentiell höheren Kraftstoffeffizienz. 100 Milligramm Antimaterie reichen aus, um den Mars zu erreichen, während eine chemische Rakete für eine bemannte Mission Tonnen Treibmittel benötigen würde. Forscher wollen sogar ein Antimaterieschiff auf Kickstarter finanzieren.

7 Kernimpulsantrieb

Was ist mit einer Reise nach Alpha Centauri, bei der Atombomben auf dem Weg zum Antrieb Ihres Raumschiffs abgeworfen werden? Der Kernimpulsantrieb kann der am besten geeignete Weg zur interstellaren Reise sein. Project Orion wurde 1958 als DARPA-Unternehmen gegründet und wollte unbedingt ein echtes Raumfahrtschiff bauen – U-Boot-Bauweise, 200 Besatzungsmitglieder, Tausende Tonnen Startgewicht – und es mit nuklearem Impulsantrieb in die Umlaufbahn bringen. Theoretisch und technisch alles machbar.

Ein Orion-Motor könnte Megatonnen Schub erzeugen, der kleine nukleare Explosionen gegen eine massive Stahlplatte lenkt, die mit Stoßdämpfern mit dem Raumschiff verbunden ist, aber politische Probleme und das Budget erwiesen sich als Probleme, die schlimmer waren als mechanische Hürden. Das Projekt Orion wurde 1965 nach mehreren Errungenschaften geschlossen. Ähnliche Konzepte wie das Medusa-Raumschiff und der Antimateriespaltungsantrieb werden jedoch noch erforscht.

6 Nanopartikel-Mikroantrieb

Das elektrische Laden von Treibmittelmolekülen und das anschließende Verstärken durch Magnetfelder ist eine äußerst effektive Methode, um Raumfahrzeuge anzutreiben. Trotz der geringen Impulskraft sind Ionentriebwerke um ein Vielfaches energieeffizienter als chemische Raketen und passen auf lange Sicht zum exothermen Antrieb. Das war übrigens das System, das das Raumschiff Dawn bis nach Vesta und Ceres trieb .

Die University of Michigan wird vom Air Force Office of Scientific Research finanziert und entwickelt ein experimentelles Ionenstrahlruder namens NanoFET. Der Motor würde Billionen von Treibnanopartikeln durch nanoelektromechanische Systeme abfeuern und ein Thruster-on-a-Chip-Konzept eröffnen, das die miniaturisierten Satelliten von morgen antreiben kann. Gitter von NanoFET-Modulen könnten flexibel angepasst und eskaliert werden, um unterschiedlichen Designs und technischen Anforderungen zu entsprechen.

5 Q-Thruster

Raketen stoßen Treibmittel (Aktion) aus, um gemäß Newtons drittem Gesetz Schub (Reaktion) zu erhalten, aber was wäre, wenn ein Antrieb diese Grundregel der Natur brechen könnte? Roger Shawyer, ein britischer Luft- und Raumfahrtingenieur, glaubte, dass dies durchaus möglich sei, als er 1999 einen reaktionslosen Motor namens Hochfrequenz-Resonanzhohlraumstrahlruder oder einfach EmDrive (Elektromagnetischer Antrieb) vorschlug. Ein EmDrive würde Mikrowellen in einem Kegel abprallen lassen, um einen Schub in Richtung des schmalen Endes zu erzeugen. Das Experiment sorgte in der wissenschaftlichen Gemeinschaft für Kontroversen, selbst nachdem chinesische, deutsche und NASA-Forscher Shawyers Verfahren mit positiven Ergebnissen reproduziert hatten.

Wie EmDrives genau funktioniert, bleibt am Rande der Physik. Die Theorie der Quantenfluktuation besagt, dass das Vakuum mit energetischen Teilchen sprudelt, die in die Realität hinein- und aus ihr herausspringen. Wenn ein Schiff über Mikrowellen mit diesen Partikeln interagiert, kann es zu einem Schub kommen.

Mit dem EmDrive wurde ein völlig neues Konzept für Raketentriebwerke entwickelt, die als Quantenvakuum-Triebwerke (Q-Triebwerke) bekannt sind.

4 Photonisches Laserstrahlruder

Der junge K. Bae ist Ph.D. Dr. Physiker Gründer der YK Bae Corp – ein Unternehmen, das sich der Erforschung „grüner” Technologien in den Bereichen Energie und Raumfahrt widmet. Zu den Patenten von Bae gehören photonische Eisenbahnen, eine neue Molekülklasse und das Photonic Laser Thruster (PLT). Bae studierte das PLT mit NASA-Mitteln und konnte ein Konzept für Raumfahrer entwickeln, das keine Kraftstofftanks tragen musste. Stattdessen erhält der PLT seinen Schub von Lasern, die auf das Raumschiff abgefeuert werden. Da das Vakuum reibungslos ist, würde ein PLT-angetriebenes Fahrzeug in wenigen Tagen stetig an Dynamik gewinnen, um die Entfernung zum Mars zurückzulegen.

Entwicklungen in der Directed Energy-Technologie werden für die Bereitstellung von Multi-Megawatt-Laserstrahlen von entscheidender Bedeutung sein, die ein Raumschiff durch den Weltraum schieben können und eine Architektur ermöglichen, die frei von schweren Komponenten wie Kraftstoff und Hauptstromversorgungen ist.

3 Coilgun Space Launcher

Science-Fiction-Autoren wie Arthur C. Clarke und Robert Heinlein rechnen seit Jahrzehnten mit elektromagnetischen Katapulten als Handlungsinstrumenten. Noch heute magnetisch eine Nutzlast Hunderte von Meilen über der Erde beschleunigen können reine scheinen Sci-Fi, und doch Wissenschaftler wie Dr. James Powell und Dr. Gordon Danby denken, wird es Teil der Raumfahrt für die Zukunft sein. Powell und Danby haben gemeinsam das supraleitende Magnetschwebebahn (magnetische Aufhängung) erfunden, mit dem die aktuellen EM-Züge entwickelt werden können. Jetzt wollen sie die Technologie im Rahmen ihres Startram-Projekts in der Raumfahrt anwenden.

In Powells und Danbys Vision würden Spulen ein starkes Magnetfeld erzeugen, um ein Raumschiff oder eine Nutzlast mit hoher Geschwindigkeit über kilometerlange Eisenbahnen zu schieben, ähnlich wie bei einem Projekt einer Spulenpistole. Um genügend Schwung zu erreichen, wird die Strecke mehrere Meilen lang sein und mehrere zehn Milliarden Dollar kosten, aber laut den Erfindern ist es ein geringer Preis für die Zukunft.

2 Stellar Windjammer

Wie jeder andere Stern spuckt die Sonne ständig geladene Teilchen aus – ein wahrer Sturm von Hochgeschwindigkeitsprotonen und -elektronen. Ein solcher Strahlungsdruck kann gegen ein Magnetfeld drücken und Schub erzeugen.

Nach einem Jahrzehnt der Weltraumwanderung könnte ein Sunjammer-Raumschiff die äußersten Grenzen unseres Sonnensystems überschreiten, ohne Treibstoff zu verschwenden, und in exoplanetaren Magnet- und Gravitationsfeldern manövrieren, um seine Flugbahn zu kalibrieren. Die Schubrichtung kann durch Ändern des Segels entsprechend dem Sonnenwind eingestellt werden.

Da die Antriebskraft von der Größe des Magnetfelds abhängen würde, würde ein Sonnensegel Hunderte von Metern und Kilometern Supraleitermaterial benötigen, um sein Magnetfeld zu erzeugen, das zyklopischen Drahtschleifen anstelle der windfangenden Leinwände des Navigationszeitalters ähnelt.

Die NASA plant, 2018 während der Vorbeiflugvermessung von Asteroid Scout ein Sonnensegel einzusetzen .

1 Alcubierre Drive

Einstein-Feldgleichungen besagen, dass Energie und Materie das Raum-Zeit-Netz der Realität krümmen können. Spekulativ ist es möglich, das Raumgewebe hinter einem Schiff zu dehnen und den Raum vor ihm zu verkleinern, um eine scheinbare FTL-Bewegung (schneller als Licht) zu erreichen. Natürlich würde sich der Raum bewegen und nicht das Schiff, wie bei einem Bildlaufspiel, also würde kein relativistisches Gesetz gebrochen. Auf einer Warp-Blase aus Raumzeitwellen kann unser Schiff Geschwindigkeiten erreichen, die um viele Größenordnungen höher sind als die des Lichts. Wir könnten sogar in weniger als einer Sekunde zum Mars reisen, aber ich denke, Verzögerung wäre ein Problem!

Der Alcubierre-Antrieb oder nur der Warp-Antrieb wurde vom mexikanischen Physiker Miguel Alcubierre als Lösung für Einstein-Feldgleichungen vorgeschlagen, die besagen, dass Energie und Materie das Raumzeitnetz krümmen können. Bei Verwendung eines Feldes mit einer Masse von weniger als Null würde der Warp-Antrieb dazu führen, dass sich die Raumstruktur verdreht und vorbeirollt.