Generationenschiffe - Teil 2 | Antriebe und Schilde (2019)

Wie konstruieren wir ein Generationenschiff, das zu anderen Sternen reisen kann?

Jede einzelne Komponente daran muss weit höhere Anforderungen erfüllen als alles, was wir

je gebaut haben.

Wir blicken heute zunächst auf Antriebe und Schilde, in der nächsten Woche dann auf Lebenserhaltung,

Wartung und künstliche Gravitation.

Bauen wir es doch einfach mal.

Ich bin Ronny – willkommen bei Raumzeit!

Wir haben in der ersten Folge zur Reihe, die ihr mit einem Klick oben rechts nochmal sehen

könnt, herausgefunden, dass eine minimale Crew von 400 Personen für eine interstellare

Reise über mehrere Generationen notwendig sein wird.

Dafür ist ein Raumschiff von etwa 100 Millionen Tonnen Masse notwendig – Treibstoff nicht

mit eingerechnet.

Die hundert Millionen Tonnen sind ein Schätzwert für einen moderat großen Standford-Torus

mit ausreichend Lebensraum und Schilden – teilweise werden auch unsere Treibstoffvorräte als

Schildmaterial dienen.

Zum Stanford-Torus sagen wir in der nächsten Folg mehr.

Und um das gleich anfangs klarzustellen.

Wir können so ein Schiff aktuell und auch in den nächsten 100 Jahren nicht bauen.

Es ist gleichwohl ein spannendes Konzept, welches wissenschaftlich in unzähligen Aufsätzen

und Büchern diskutiert wurde – wir geben euch einige besonders relevante Links in der

Videobeschreibung.

Wichtig ist, dass alles, was wir planen, auch im Rahmen der anerkannten Physik denkbar sein

muss – Überlichtantriebe, Tachyonenraketen, Wurmlöcher, Gravitationsgeneratoren und Ähnliches

klammern wir also aus.

Jetzt aber.

Wir wissen aktuell noch recht wenig über den interstellaren Raum zwischen den Sternen,

ein Lichtjahre-großes aber dunkles Vakuum.

Das ist so nicht ganz richtig – das Vakuum zwischen den Sternen ist keines.

Es gibt eine geringe Menge an Teilchen, 99% davon sind Wasserstoff- und Heliumgas, Protonen

und etwa 1% andere Teilchen, winzige Partikel kosmischen Staubs.

Dazu gibt es kosmische Strahlung und natürlich die elektromagnetische Strahlung der Sterne.

Das gibt uns zwei Informationen für unsere Reise.

Zum einen ist die Energiedichte im interstellaren Medium wahrscheinlich zu gering, um sinnvoll

Treibstoff oder andere Ressourcen daraus zu gewinnen.

Das bedeutet, dass wir alles, aber auch wirklich alles, was wir für unsere Reise und unsere

Ankunft benötigen, aus unserem Sonnensystem mitbringen müssen.

Zum anderen gibt es dort draußen immer noch genug, was unserem Schiff schaden könnte,

sei es in Form von Einschlägen oder hochenergetischer kosmischer Strahlung, welche das Leben auf

dem Schiff bedroht.

Es sind daher diverse Schilde notwendig, die natürlich in sich wieder die Masse des Raumschiffs

erhöhen.

Betrachten wir zunächst Antriebe für ein Generationenschiff.

Ein Antrieb, der ein hundert Millionen Tonnen Schiff auf akzeptable Geschwindigkeiten bringt,

ist eines der schwersten Probleme für interstellare Raumfahrt.

Und mit schwer meinen wir massereich.

Nahezu alle Antriebe nämlich unterliegen sklavisch der Tsiolkowsky-Gleichung, die auch

als Raketengleichung bekannt ist und vom russischen Wissenschaftler Tsiolkowsky 1903 entwickelt

wurde.

Tsiolkowsky ist übrigens auch Vater der Idee der Weltraumaufzüge – zu denen wir demnächst

ein eigenes Video machen werden.

Ohne zu sehr auf die Mathematik eingehen, will ich die Formel kurz vorstellen.

Sie ermittelt DELTA-V, den Unterschied zwischen Anfangs- und Endgeschwindigkeit eines Raumschiffs.

Relevant sind für uns drei Werte: die Startmasse m-null, also die Gesamtmasse des Raumschiffs

inklusive Treibstoff; die Endmasse m-eins, die Gesamtmasse des Raumschiffs abzüglich

des ausgestoßenen Treibstoffs und schließlich Ve – die Geschwindigkeit, mit der wir Masse

aus dem Triebwerk ausstoßen können.

Insgesamt haben wir Delta V ist gleich Ausstoßgeschwindigkeit multipliziert mit dem natürlichen Logarithmus

von Gesamtmasse geteilt durch Restmasse.

Delta V muss für uns sehr hoch werden, wir wollen 10% der Lichtgeschwindigkeit erreichen

– real entspricht das einer Reisegeschwindigkeit von lediglich 5% c, denn wir brauchen die

Hälfte unseres Delta-V zum Abbremsen am Ziel.

Es gibt eine Unzahl von Online-Rechnern zur Raketengleichung, wir stellen aber schnell

fest, dass wir entweder eine vollkommen absurde Menge Treibstoff bräuchten oder aber extrem

hohe Ausstoßgeschwindigkeiten erreichen müssten.

Die Ziolkowski-Gleichung zeigt uns auch, dass chemische Antriebe VOLLKOMMEN ungeeignet sind.

Um ein Schiff von der Masse eines Space-Shuttles in knapp 1000 Jahren nach Alpha Centauri zu

bringen, bräuchte ich eine chemische Treibstoffmenge von 10 hoch 137 kg.

Viele Größenordnungen mehr als die gesamte Masse des beobachtbaren Universums.

Chemische Antriebe scheiden damit aus und so kommt aktuell genau ein einziger Antrieb

in Frage – ein nuklearer Pulsantrieb wie er im Projekt Orion geplant war bzw. in recht

ähnlicher Form in Projekt Daedalus.

Immerhin vorstellbar ist ein Fusionsantrieb, welcher erheblich effektiver darin ist, die

Energie des Treibstoffs – in diesem Fall Wasserstoff – zu nutzen.

Schließlich finden wir die effektivste Möglichkeit in der Nutzung von Antimaterie-Antrieben,

welche allerdings noch hypothetischer als Fusionsbasierte Triebwerke sind, Antimaterie

ist unsäglich schwierig herzustellen und ebenso schwierig aufzubewahren.

Allerdings könne ein Antimaterie-Antrieb ohne Schwierigkeiten ein Delta-V von 10%c

und erheblich mehr ermöglichen.

Um zu sehen, wie weit wir noch von einem praktikablen Antrieb entfernt sind, können wir beispielhaft

einen Blick auf Projekt Daedalus werfen.

Das Schiff sollte durchschnittlich 10% der Lichtgeschwindigkeit erreichen, hatte eine

Startmasse von 54.000 Tonnen, wovon 50.000 Tonnen Treibstoff und 3.500 Tonnen als Strukturmasse

vorgesehen waren.

Lediglich 500 Tonnen waren Nutzlast, mit denen es am Zielort, Barnards Stern, ankommen sollte.

Ankommen ist relativ – denn ein Bremsvorgang war nie geplant.

Das Schiff wäre in weniger als 70 Stunden durch das Sternensystem gerast … Projekt

Daedalus wurde natürlich aus Kostengründen nie ernsthaft in Erwägung gezogen.

Es gibt einige Antriebe, die sich der Ziolkowski-Gleichung entziehen, so z.B. ein Photonensegel, welches

ich mit einem gigantischen Laser antreibe – zum Beispiel vom Mond oder dem L2 LaGrange

Punkt aus.

Problematisch ist hierbei die mit der Distanz zunehmende Streuung des Lasers – und natürlich

die Tatsache, dass ich mit so einem Antrieb nicht bremsen könnte.

Zumindest bis zu einer Distanz von einigen tausend astronomischen Einheiten ist aber

die zusätzliche Nutzung von Photonensegeln und damit eines Hybridantriebs vorstellbar.

Welchen Antrieb auch immer wir entwickeln, wir haben stets das zusätzliche Problem,

dass wir ja in Zukunft einen erheblich besseren Antrieb entwickeln könnten.

Wenn ich ein Generationenschiff mit 5% c 20 Lichtjahre weit reisen lasse, wofür es 400

Jahre benötigen würde, ist es möglich, dass die Reisenden beim Eintreffen eine menschliche

Kolonie vorfinden, welche bereits hundert Jahre dort existiert.

Die Probleme sind also vielfältig, gehen wir aber mal zur Vereinfachung davon aus,

dass wir einen Fusionsantrieb entwickeln, welcher unser 100 Millionen Tonnen Schiff

auf 5% C beschleunigen und am Ende der Reise auch wieder abbremsen kann.

Einige hundert Millionen Tonnen Wasserstoff müssen als Fusionstreibstoff eingeplant werden.

Schilde Kommen wir zu den Schilden.

Diese müssen auf mehreren Ebenen geplant werden.

Wir müssen uns zunächst vor kosmischer Strahlung schützen, ionisierten Teilchen, meist hochenergetisch,

welche unser Schiff im interstellaren Raum bombardieren.

Unser Treibstoff eignet sich recht gut als Schutz – kann also außen positioniert werden.

Noch effektiver ist ein Magnetfeld, quasi ein Schild im klassischen Sci-Fi Verständnis.

Ein Magnetfeld lenkt geladene Teilchen – Ionen – ab und kann uns so vor kosmischer Strahlung

schützen.

Große Anteile des interstellaren Mediums sind tatsächlich ionisiert.

Schließlich müssen wir uns vor Einschlägen von Staubpartikeln und Mikrometeoriden schützen

- diese haben nämlich bei 5% der Lichtgeschwindigkeit eine ungeheure kinetische Energie – bereits

ein stecknadelkopfgroßes Steinchen würde mit der Wucht einer Explosion von 30 Tonnen

TNT einschlagen, ein Kilogramm-schwerer Meteoroid hätte die kinetische Energie von 2 Hiroshima-Bomben.

Um dieser Gefahr zu begegnen, ist eine physische Barriere in Flugrichtung – etwa eine Berylliumplatte

von einigen Zentimetern Dicke und dem Gewicht von einigen tausend Tonnen – notwendig.

Beryllium ist deshalb so gut geeignet, weil es ein sehr leichtes Metall ist, welches gleichzeitig

über einen extrem hohen Schmelzpunkt und gute Elastizität verfügt – ein perfektes

Schildmaterial.

Ob weitere Schutzmaßnahmen notwendig sind – etwa ein aktiver Schutz durch automatisierte

Laser, welche größere Hindernisse ablenken oder zerstören können – ist solange unklar,

wie wir keine genaueren Erkenntnisse über den interstellaren Raum haben.

Welche Form wir unser Raumschiff haben?

Wie erzeugen wir eine künstliche Gravitation?

Wie bewahren wir eine intakte Biosphäre?

All dies sind Fragen für den dritten Teil der Serie, der schon sehr bald folgen wird.

Wir hoffen es hat euch gefallen.

Wir danken euch und unseren Patrons, insbesondere unseren galaktischen Overlords Rico, Dimitar

und Tobias fürs Zuschauen und sagen – in diesem Sinne – 42.