Interstellare Raumfahrt

Eine Theorie existiert nur in unserer Vorstellung und besitzt keine andere Wirklichkeit, was immer das auch bedeutet. Stephen W. Hawking ( Eine kurze Geschichte der Zeit )

Eine Theorie ist ein Modell, eine Vorstellung über irgendetwas, zum Beispiel, die Bewegungen von Massen durch die Raumzeit. Viele Science Fiction Romane und Serien, wie Star Trek oder Babylon 5 enthalten Vorstellungen über zukünftige Ereignisse oder Vorgänge, die nicht unmittelbar beweisbar sind.

Eine Phantasie Vorstellung, wie das Beamen von Menschen, kann zu einer ganz realen anderen Entdeckung führen, dem Beamen von Photonen über große Distanzen. Die Idee des Warpantriebes, könnte zu einer Raumfahrt Technologie führen, mit der es möglich sein kann große Distanzen im Weltraum in einer für Menschen annehmbaren Zeit zurück zulegen.

Um eine Theorie auf die Ebene der Wirklichkeit zu heben, muss eine Vorstellung durch Beobachtung, Messung, Experimente, Gedanken Experimente oder durch logischen Schluss auf der Grundlage älterer Erkenntnisse überprüft werden. Finden sich keine Hinweise für den Wahrheitsgehalt einer Theorie, ist sie entweder unbeweisbar oder erst in der Zukunft durch verbesserte Technologien beweisbar.

In Jahrhunderten könnte der Traum, diesen Planeten zu verlassen um auf dem Mars, einigen Monden des Sonnensystems, auf bewohnbaren Planeten, die um ferne Sterne kreisen auszuwandern, Wirklichkeit werden. Wissenschaftler, Abenteurer, Touristen, Menschen die etwas Neues suchen, würden sich auf eine Reise ins Unbekannte begeben. Die Reisenden an Bord eines großen Raumschiffes, das Ähnlichkeit mit Raumschiffen aus der Serie Star Trek besitzen müsste, würden auf unerforschte Sonnensysteme, Lebewesen, rätselhafte Zivilisationen treffen.

Alpha Centauri in 4,3 Lichtjahren Entfernung, könnte bis zum Ende des 21. Jahrhunderts, das Ziel einer unbemannten Raumsonde sein. Die Sonde könnte in der Erdumlaufbahn, in einer ringförmigen Raumstation durch Menschen und Roboter gebaut werden. Eine ringförmige Raumstation erzeugt durch ihre Rotation, nach außen eine künstliche Gravitationskraft, die zum Zentrum hin schwächer wird. Wissenschaftler, Ingenieure, Techniker könnten in einem künstlichen Gravitationsfeld unter erdähnlichen Bedingungen leben und arbeiten.

Um die Distanz zu Alpha Centauri zu überwinden, benötigt das Raumschiff einen Leistungsstarken Antrieb, der es auf einige Prozent der Lichtgeschwindigkeit beschleunigt. Mögliche Technologien sind der Ionenantrieb, ein Fusionsantrieb, die Kombination aus Laser und Sonnensegel und die Zerstrahlung von Materie – Antimaterie.

Ionentriebwerke funktionieren nur im Weltraum. Ionisierte Teilchen werden durch ein Magnetfeld beschleunigt, strömen aus einer feinen Düse, wodurch eine Schub erzeugt wird. Die Raumsonde Deep Space 1, die zwischen 1999 und 2001 den Asteroiden Braille und den Kometen Borrelly erforschte,  erreichte eine Geschwindigkeit von mehr als 16 km/s. Um die Distanz zu Alpha Centauri im Zeitraum eines Menschenlebens zu überwinden, ist eine Geschwindigkeit von mehr als 8% der Lichtgeschwindigkeit erforderlich.  Wenn die Ausströmungsgeschwindigkeit der ionisierten Teilchen durch ein stärkeres Magnetfeld und eine längere Beschleunigungsstrecke erhöht wird, ist eine höhere maximale Geschwindigkeit möglich.

Raumschiffe in ferner Zukunft könnten ihre Beschleunigungsenergie durch die Zerstrahlung von Materie und Antimaterie erzeugen. Protonen und Antiprotonen würden in einen Linear- oder Kreisbeschleuniger durch ein starkes Magnetfeld auf eine hohe Geschwindigkeit beschleunigt. Beide Materieströme würden in eine Materialisationkammer gelenkt, in der Materie und Antimaterie in Gammastrahlung und andere Partikel zerstrahlt. Gammastrahlung und Partikel strömen aus einer feinen Düse, erzeugen eine Beschleunigung mit der mehr als 50% der Lichtgeschwindigkeit möglich sind.

Eine Sonde durchquert vom Startpunkt Erde bis zu ihrem Ziel Alpha Centauri einen Raum der durch die drei Koordinaten (x, y, z) definiert ist und benötigt zum Zielpunkt die Zeit (t).

G. Galilei und I. Newtons Theorien beschreiben ein dreidimensionales Universum mit den drei Raumkoordinaten, in dem ein Objekt eine Strecke in der nichtveränderlichen Zeit (t) zurücklegt.

x₁=x₀ + (v * t)  (m)

s₁=s₀ + ((a*t²)/2) (m)

Durch die Bewegungen eines Objekts verändern sich die Raumkoordinaten. Die Zeit bleibt überall, unabhängig von den Bedingungen im Universum gleich.

Albert Einsteins (1879 – 1955) spezielle- und allgemeine Relativitätstheorie vereinigt die drei Raumkoordinaten mit der Zeitkoordinate zur vierdimensionalen Raumzeit. Die Raumzeit ist die reale Struktur des Raums im Universum. Die Struktur der Raumzeit in einen bestimmten Punkt ist abhängig von der Verteilung von Masse oder Energie.

Zunehmende Masse oder Energie krümmt die Raumzeit und verstärkt die Wirkung der Gravitation. Mit zunehmender Gravitationsfeldstärke werden relativistische Effekte bemerkbar. Zeitabläufe, Länge, Masse und Energie ändern sich zwischen Beobachtern mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten.

Der Lauf der Zeit wird mit Atomuhren gemessen. Mit zunehmender Gravitationsstärke gehen Atomuhren langsamer. Dies ist messbar durch einen geringen Zeitunterschied zwischen einer Atomuhr an Bord eines Satelliten und einer Uhr auf Meereshöhe. Der geringe Zeitunterschied muss bei der Positionsbestimmung auf der Erdoberfläche berücksichtigt werden.

I. Newtons Bewegungsgesetze gelten nur für kleine Geschwindigkeitsbereiche in denen es nicht nötig ist, die Gleichungen der Relativitätstheorie  anzuwenden. In unserer Welt mit geringer Gravitationskraft und geringen Geschwindigkeiten können wir keine relativistischen Effekte wahrnehmen.

Das Gravitationsgesetz und die Bewegungsgesetze beschreiben die beobachtbare Welt äußerst genau und erwecken den Eindruck in einer dreidimensionalen Welt zu leben, in der die Zeit immer gleich vergeht.

Das Modell eines idealen dreidimensionalen Newton Raums mit absoluter Zeit könnte als Bezugssystem betrachtet werden. Relativ zu diesem Bezugssystem bewegt sich ein Raumschiff mit zunehmender Geschwindigkeit durch den realen vierdimensionalen Raum.

Der Lorenz Faktor β = Wurzel(1-(v²/c²)) gibt einen Wert an, für das Verhalten eines bewegten Objekts im Verhältnis zur Lichtgeschwindigkeit. β ermöglicht den Vergleich zwischen dem Modell eines dreidimensionalen Universums und dem realen vierdimensionalen Universum.

Neben Masse und Energie sind Gravitation und Beschleunigung in ihren Wirkungen nicht unterscheidbar. Mit zunehmender Geschwindigkeit vergrößert sich die Zeitdehnung zwischen einer Atomuhr auf der Erde und einer Uhr im Raumschiff.

Die Atomuhr auf der Erde ist das relativ ruhende Bezugssystem t₀=1, die Uhr im Raumschiff das bewegte System t₁. Mit dem Faktor β wird die relativistische Zeit im bewegten System ermittelt:

t₁ = t₀ /Wurzel(1-(v²/c²)) (s)

Im relativ ruhenden System auf der Erde erhalten alle physikalischen Größen ( Zeit, Masse, Energie, Länge ) den Wert 1, der mit einem bewegten System verglichen wird. Aus der Teilung des allgemeinen Wertes 1 durch β ergibt sich der Raumkrümmungsfaktor γ.

γ = 1/ Wurzel(1-(v²/c²)) Mit dem Wert γ können alle relativistischen Erscheinungen beschrieben werden.

In einem idealen 3D Newton Raum überwindet ein Raumschiff mit der Beschleunigung (a) in der gleichmäßig zunehmenden Zeit (t) die Distanz:

3D: s₁=s₀ + ((a*t²)/2) (m)

Der 3D Raum ist das „ruhende Bezugssystem“, mit absoluter Zeit. Der 4D Raum ist das veränderliche System. Das Raumschiff bewegt sich im 4D Raum relativ zum nichtveränderlichen 3D Raum. Durch die Zeitdehnung benötigt das Raumschiff weniger Zeit die Distanz zu Alpha Centauri zu überwinden.

4D: s₁=s₀ + ((a*t²)/2) / 1/ Wurzel(1-((a*t)²/c²)) (m)

Für eine unbemannte Sonde sind die Folgen relativistischer Effekte unbedeutend. Anders für bemannte Raumfahrer. Abhängig von Geschwindigkeit und Reisedauer kann es sein das an Bord eines Raumschiffes nur einige Jahre, auf der Erde aber Jahrhunderte oder Jahrtausende vergangen sind.

Das Star Trekk Raumschiff Enterprise bewegt sich mit Warp Antrieb ohne Zeitdehnung durch das Universum. Der Weltraum durch den sich ein Raumschiff bewegt ist ein Vakuum, mit einer geringen Materiedichte. Wenn Masse oder Energie auf ein Raumvolumen einwirkt, nimmt die Raumkrümmung zu.  Ein Raumvolumen zieht sich zusammen oder dehnt sich aus.

Nur extrem große Massen erzeugen eine messbare oder beobachtbare Raumkrümmung. Die Gravitationskraft der Sonne kann das Licht entfernter Sterne krümmen, wodurch sich ihre Positionen verschieben, beobachtbar bei einer totalen Sonnenfinsternis.

Die Masse der Sonne lässt sich auf Grund der Äquivalenz von Masse und Energie in Energieeinheiten umwandeln. Diesen Energiebetrag müsste ein Raumschiff erzeugen um eine schwache Raumkrümmung in Bewegungsrichtung zu erzeugen. Durch die Raumkrümmung verkürzt sich Punkt für Punkt die Strecke zu einem Ziel, möglicherweise mit Abschwächung der Zeitdehnung. Noch größere Energiebeträge vergrößern die Raumkontraktion. Es ist fraglich in wieweit dies technisch möglich oder völlig unrealistisch ist.

Der Materie – Antimaterie Reaktor

In den fünfziger Jahren beschrieb der Luft und Raumfahrt Ingenieur Eugen Sänger (1905 – 1964) das Konzept eines Photonenantriebs für interstellare Raumreisen.

Literatur: Zur Mechanik der Photonen Strahlenantriebe 1956

http://www.de.wikipedia.org/wiki/Eugen_Sänger

Vor mehr als einem halben Jahrhundert waren viele heutige Kenntnisse auf dem Gebiet der Elementarteilchen Physik völlig unbekannt. Im 21. Jahrhundert ist es möglich Antimaterie zu erzeugen und extrem kurzzeitig unter magnetischen Abschluss zu lagern.

E. Sängers Konzept eines Materie – Antimaterie Reaktors besteht aus zwei voneinander getrennten Materie und Antimateriequellen. Beide Materiearten werden in einen Reaktor gelenkt, wo die Zerstrahlung in Gammastrahlung und Neutrinos stattfindet. Ein Fluresenzstoff  zum ausstrahlen sichtbaren Lichts wird angeregt. Die Lichtstrahlen werden zu einem Reflektor gelenkt und durch feine Düsen abgestrahlt. Die abgestrahlten Photonen erzeugen den Schub eines Raumfahrzeuges.

Die Entwicklung des Ionenantriebs beweist, das Strahlungstriebwerke im Vakuum funktionieren und ein Raumschiff beschleunigen können. Ein Materie – Antimaterie Antrieb ist gleichsam ein Strahlungsantrieb, bei dem Protonen (p+) und Antiprotonen (p-) in Gammastrahlung und Partikeln zerstrahlen und die ausströmenden Teilchen einen Schub erzeugen.

Das größte Problem ist die Erzeugung und Lagerung von Antimaterie. Eine sichere Lagerung ist nur in einem abschirmenden Magnetfeld, das jeden Kontakt mit Materie verhindert möglich. Eine andere Möglichkeit ist, die kurzzeitige Erzeugung von Antimaterie, die umgehend durch eine magnetisch abgeschirmte Beschleunignungsstrecke in eine Materialisationskammer gelenkt wird und dort mit Materie zerstrahlt. Die Beschleunigungsstrecke würde einem Linear- oder Kreisbeschleuniger ähneln. Die Strahlungspartikel strömen mit fast Lichtgeschwindigkeit aus feinen Düsen und erzeugen einen Schub.

Raumschiff Antiebsenergie

Reise nach Alpha Centauri

Tabellen Daten und Gleichungen

c=299 792,458 km/s

1 Jahr = 365,25 Tage = 31 557 600 s

1 Lichtjahr = 9,4607 E+12 Km

Alpha Centauri = 4,3 Lichtjahre = 4,0681 E+13 Km

Raumschiff Masse m₀ = 10 000 Tonnen

Rel. Massezuwachs: m₁=m₀*γ (T)

Lorenz Transformation   γ=1/sqr(1-( v²/c²))

Zeitdehnung t₍₁₎=t₍₀₎ / γ [s]

Galileo Transformation  X₍₁₎=X₍₀₎ + (v*t) [m]

Newton Translation  V=a*t [m/s],  s=(a*t²)/2 [m],  t=sqr(2s/a) [s]

Relativistische Gleichung  s₁= s₀ + (a*t²)/2))/1/sqr(1-((a*t)²/c²))  [m]

http:www.journeytospace.de