FAQ - Raumfahrt

Entscheidend für die Nutzbarkeit ist der Impulsfluss pro m2 also Impuls pro Sekunde und Quadratmeter (= Newton pro Quadratmetr, 1 Newton entspricht etwa der Gewichtskraft einer 100g Schokoladentafel), den der entsprechende Partikelstrom Photonen oder Protonen mitbringt. Die Elektronen des Sonnenwinds sind 1500 mal leichter und müssen hier nicht berücksichtigt werden.

Für die Protonen des Sonnenwinds gilt folgendes:
In Erdentfernung von der Sonne gibt es 1E7 (10 Millonen) Protonen pro Kubikmeter, die mit 470 km/s fliegen. D.h. auf jeden Quadratmeter Sonnensegels treffen 4.7E12 (4.7 Billionen) Protonen pro Sekunde. Die fuer die Kraftwirkung entscheidende physikalische Groesse - ist der durch die Teilchen uebertragene Impuls p (p = Teilchenmasse mal Geschwindikeit) pro Zeitintervall und Quadratmeter. Fuer die Protonen - jedes von ihnen ist 1.7E-27 kg schwer - des Sonnenwinds ergibt sich so 4.7E12*470'000*1.7E-27 = 3.7E-9 kg/m/s^2 = 3.7 Nanonewton pro m2

Nach den Physiklehrbuechern (z.B. Paul A. Tipler, "Physik", Seite 1005) ist der Strahlungsdruck (Druck = Kraft pro Quadratmeter) für das Licht die Intensitaet (in Watt pro Quadratmeter) geteilt durch die Lichtgeschwindigkeit in Metern pro Sekunde (m/s). In der Entfernung der Erde von der Sonne bestrahlt die Sonne jeden Quadratmeter mit einer Leistung von 1350 Watt. Somit ergibt sich bei einer Lichtgeschwindigkeit von ca. 3E8 m/s eine Kraft von = 4.5E-6 N/m2 = 4.5 Mikronewton pro Quadratmeter Sonnensegel.

Fazit: Die Kraft des Lichts auf ein gegebenes Sonnensegel ist 1000x groesser als die Kraft, die der Sonnenwind verursacht, da die Teilchendichte des Sonnenwinds und die Solarkonstante quadratisch zur Entfernung zur Sonne abnehmen, gilt für jede Stelle im Sonnensystem dieser Unterschied. Für reflektierende Flächen, wie das wohl für ein Sonnensegler der Fall wäre, ist die Kraft des Lichts sogar noch doppelt so gross wie für absorbierende Flächen, in Erdentfernung von der Sonne sind das also 9 Newton pro Quadratkilometer (= eine Million Quadratmeter) Segelfläche.

Siehe auch Solar Sail Homepage,die auch die oben stehende Ueberlegung bestaetigt.

Stichwortartige Antwort ganz pauschal über den Daumen gepeilt:

Der Raketenantrieb basiert auf dem Rückstossprinzip. Impuls (Masse x Geschwindigkeit) muss erhalten bleiben. Das Gesamtsystem Rakete und Auspuffgase ändert seine Geschwindigkeit nicht. Um sich zu bewegen muss ein Raumschiff ein Teil seiner Masse von sich wegstossen um sich in die entgegengesetzte Richtung zu bewegen. Die erreichte Endgeschwindigkeit der Nutzlast wird über die Raketengleichung berechnet:

Endgeschwindigkeit = Ausstossgeschwindigkeit * log(Anfangsmasse/Brennschlussmasse)
wobei log der natürliche Logarithmus darstellt.
Ausstossgeschwindigkeit = Geschwindigkeit mit der die Gase das Triebwerk verlassen.

Beispiele:

chemische Antriebe (eben die Rakete):
Typische erreichte Geschwindigkeit: 10 km pro Sekunde (km/s).
Brenndauer: ein paar Minuten.
Ausstossgeschwindigkeit: 2 km/s bis 4.5 km/s

Ionenantrieb (Ausstoss von Ionen mit elektromagnetischer Beschleunigung, 
siehe JPL, deep space one)
Typische erreichte Geschwindigkeit 30-50 km pro Sekunde
Brenndauer: ein paar Monate.
Ausstossgeschwindigkeit: 50 - 100 km/s.

Sonnensegel: Der Lichtdruck verändert die Geschwindigkeit des Raumschiffs. Jede beliebige Bahn im inneren Sonnensystem bis hinaus zu Jupiter innerhalb von vielen Monaten bis Jahre ist erreichbar. Theoretisch hat das Sonnensegel eine unbegrenzte Einsatzdauer des Raumschiffs, z.B. wäre eine Art Pendelbetrieb zum Transport von Material zwischen einer Marsumlaufbahn und einer Erdumlaufbahn möglich, ohne dass das Raumschiff auftanken müsste.

Siehe auch bei der DLR auf der Solar Sail Homepage, beim JPL unter solar sails oder bei der
Hamburger Morgenpost.

Solarelektrische Ionenantriebe werden im kommenden Jahrhundert wohl bemannte Flüge zu Mars und den erdbahnkreuzenden Planetoiden möglich machen. Die Flüge werden aber wegen des geringen Schubs solcher Antriebe dennoch Monate dauern. Nach vielen Monaten oder ein zwei Jahren kann mit einem solchen Antrieb eine Geschwindigkeitsänderung im Bereich 30 bis 50 km/s erreicht werden, bis der elektrisch ausgestossene Stoff (Natrium, Quecksilber oder was auch immer, ist hier nicht so wichtig) nachgefüllt werden muss.

Wenn man die Solarzellen durch ein Atomkraftwerk ersetzt und die Ausstossgeschwindigkeit bis an den Rand des Machbaren erhöht, kann vielleicht eine Endgeschwindigkeit von 500 km/s nach ein paar Jahren Brenndauer erreicht werden. Interstellare Flüge dauern aber trotzdem noch viele Jahrtausende, eine solche Mission wäre primär zur Sondierung des interstellaren Raums in unmittelbarer Umgebung geeignet oder zur Astrometrie.

Wenn man den nuklearen Brennstoff direkt (und nicht über den Umweg über ein Kraftwerk) nutzt, könnte vielleicht 10'000 oder 20'000 km/s erreicht werden. Damit könnte Proxima Centauri (die nächste Sonne) von einer unbemannten Sonde noch innerhalb eines Menschenlebens erreicht werden, aber ohne Bremsung am Ziel.

Allgemeine Relativitätstheorie (Wurmloch) und Quantenmechanik (Beamen) bieten zwar rein mathematisch die Möglichkeit (so gut wie) instantan von einem Ort zum anderen zu kommen, doch im Falle eines passierbaren Wurmlochs kriegt man es mit Energiemengen und Kräften zu tun, die Ausmasse erreichen, wie sie bei einer Supernova-Explosion vorkommen.

Wir sollen aber nicht die Hoffnung verlieren, wer weiss, was wir im nächsten Jahrtausend noch an Physik erfahren.

Zwei Beispiele für den Teufel im Detail: Erstes Beispiel: Das normale Wasserstoffisotop mit nur einem Proton als Kern ist für Kernfusionsreaktoren ungeeignet, seine Reaktionswahrscheinlichkeit beim Stoß zweier Protonen ist so unglaublich unwahrscheinlich, daß sie das Düsentriebwerk nur mit den 10'000 mal selteneren Deuterium-Kernen betreiben können. Der Effekt hat auch was gutes, er bewirkt, daß Sterne über Milliarden Jahre langsam ausbrennen.

Zweites Beispiel: Niemand hat eine Ahnung, wie man mit einem nur ein, zwei km großen Gebilde ein Millionen km großes elektromagnetisches Feld erzeugen kann, daß rasch und effektiv die mit einem UV Laser ionisierten Atomkerne ansaugen kann.

Die mit chemischen Triebwerken (also bewährte Technologie) machbare Rundreise würde hin und zurück etwa 3 Jahre dauern, wovon man etwa die Hälfte der Zeit auf Mars auf das Startfenster zum Rückflug warten müsste. Für ein 100 t Raumschiff müssten aber etwa 2000 bis 3000t Treibstoff in die Erdumlaufbahn gebracht werden, was das Unternehmen definitiv nicht mehr finanzierbar macht, zuweilen hörte man Zahle wie 500 Mia. US$.

Ausweg: Ionenantrieb (siehe www.jpl.nasa.gov) Solarelektrisch könnte wegen der viel grössere Endgeschwindigkeit den Rundflug auf vielleicht 1.5 Jahre Verkürzen und vielleicht wurde, wen mit unbemannten Sonden einige Erfahrung mit diesen Antrieben gesammelt wurde, im Jahre 2020 oder so ein Marsflug auch finanzierbar (so etwas wie 20 Mia. US$ soll mal als finanzierbar gelten).