Wind-Pellet-Scher-Segeln – Teile des Systems für Raumfahrzeuge, um 25 % der Lichtgeschwindigkeit zu erreichen

Jeff Greason beschreibt, wie man mit dynamischem Sonnenwindauftrieb von 2 % der Lichtgeschwindigkeit auf 2 % und dann mit von der Sonne angetriebenen Pellets auf 6 bis 6 % der Lichtgeschwindigkeit mit vorhandener kurzfristiger Technologie kommt. Bei 25 % der Lichtgeschwindigkeit interagieren die Teilchen im interstellaren Medium mit der Raumsonde, als ob sie über das Energieniveau der Kernfusion hinausgehen. Die hochintensive Energie wird genutzt, um den Antrieb anzutreiben und XNUMX % der Lichtgeschwindigkeit zu erreichen. Der Plasmamagnet, der während der dynamischen Aufstiegsphase des Sonnenwinds verwendet wird, wird zum Bremsen am Zielstern verwendet.

Dies sind clevere Möglichkeiten, relativ kurzfristige Technologien zu nutzen, um mit Sonden und möglicherweise sogar bemannten Raumfahrzeugen 25 % der Lichtgeschwindigkeit zu erreichen. Für Reisen innerhalb des Sonnensystems und sogar bis zu den Gravitationslinsenpunkten, die etwa ein Dutzend Mal weiter von Pluto entfernt beginnen, sind nur die Methoden erforderlich, um innerhalb von zwei Jahren 2 % der Lichtgeschwindigkeit zu erreichen. Gehen Sie zu den Bereichen der Gravitationslinsen und lassen Sie ein kleines Teleskop die Sonne als Linse nutzen, um 2 Milliarden Mal stärker zu werden. Mit Millionen von Weltraumteleskopen können wir alle Sonnensysteme innerhalb von Tausenden von Lichtjahren vorab erkunden. Wir entscheiden uns dann dafür, tatsächliche Sonden zu den besten Sonnensystemen zu schicken, die wir bereits mit der Erkundung begonnen haben, indem wir Observatorien zu Beobachtungspunkten 10 Lichttage um die Sonne schicken.

Es ist schwierig, die für den interstellaren Flug erforderliche kinetische Energie kostengünstig zu gewinnen, und die Nutzung bestehender natürlicher Energiequellen wie des Sonnenwinds ist zur Kostensenkung attraktiv. Allerdings besteht in den veröffentlichten Konzepten eine Lücke, da die Sonnenwindgeschwindigkeiten auf ~700 km/s begrenzt sind, während selbst bei Konzepten wie dem windbetriebenen Reaktionsantrieb („q‘-Antrieb) Geschwindigkeiten von ~5 % davon erreicht werden c muss erreicht werden, bevor sie übernehmen können. Es fehlte eine kostengünstige Möglichkeit, diese Lücke zu schließen.

Aerographit-Puffballs können in der Nähe der Sonne freigesetzt werden und beschleunigen sich auf etwa 5 % der Lichtgeschwindigkeit. Aerographit ist ein ultradünner Schaumstoff und 15,000-mal leichter als Aluminium.

Ziel – Demonstration einer Methode, mit der inerte Pellets, beschleunigt durch den Sonnenwind, verwendet werden können, um ein Raumschiff von Sonnenwindgeschwindigkeiten auf bis zu ~5 % von c zu beschleunigen.

Methoden: Klassische physikalische Berechnungen zur Unterstützung der grundlegenden Physik und Durchführbarkeit des Ansatzes.

Ergebnisse: Wenn sich zwei Materieströme nahe beieinander befinden, aber unterschiedliche Geschwindigkeiten haben, oder wenn sie sich durch denselben Raum, aber mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten und unterscheidbaren Eigenschaften bewegen, kann der Geschwindigkeitsunterschied oder die Geschwindigkeitsscherung genutzt werden, um Antriebsenergie zu gewinnen. Ein Beispiel für einen solchen Fall ist ein Pelletstrom, der sich durch das interstellare Medium bewegt. Der Antrieb durch Pellets ist eine im Stand der Technik erforschte Idee, die Hochgeschwindigkeitspellets erfordert; Die Gewinnung nützlicher Arbeit aus dem Geschwindigkeitsunterschied zwischen den Pellets und dem interstellaren Medium ermöglicht es einem Schiff, über die Pellets zu fahren und auch Energie aus der Passage durch das interstellare Medium zu beziehen, um Antriebsenergie zu gewinnen, selbst wenn es schneller als die Pellets ist und selbst wenn die Pellets schneller sind als die Pellets bestehen aus inerter Reaktionsmasse. Es werden die grundlegende Physik und die Leistungsgleichungen besprochen und dies im Zusammenhang mit der Verwendung relativ langsamer Pellets (beschleunigt durch Sonnenwind) diskutiert, um ein Raumschiff auf ein erhebliches Vielfaches der Sonnenwindgeschwindigkeit zu schicken. Ein weiterer Fall, in dem kleine Makroteilchen und ein Plasmawind unterschiedliche Geschwindigkeiten haben, ist das innere Sonnensystem in der Ebene der Ekliptik, wo der Sonnenwind und der Tierkreisstaub unterschiedliche Geschwindigkeitsverteilungen haben; Dies könnte weitere Anwendungen des gleichen Prinzips bieten.

Arxiv – Kostengünstiger Vorläufer einer interstellaren Mission

Der solare Photonendruck stellt eine brauchbare Schubquelle für Raumfahrzeuge im Sonnensystem dar. Theoretisch könnte es auch interstellare Missionen ermöglichen, allerdings ist eine extrem geringe Masse pro Querschnittsfläche erforderlich, um die Sonnengravitation zu überwinden. Wir identifizieren Aerographit, einen synthetischen Schaum auf Kohlenstoffbasis mit einer Dichte von 0.18 kg m−3 (15,000-mal leichter als Aluminium), als vielseitiges Material für hocheffiziente Antriebe mit Sonnenlicht. Eine hohle Aerographitkugel mit einer Schalendicke von shl = 1 mm könnte interstellar werden, wenn sie im interplanetaren Raum der Sonnenstrahlung ausgesetzt wird. Beim Start in einer Entfernung von 1 AE von der Sonne erreicht eine Aerographithülle mit shl = 0.5 mm in 60 Tagen die Umlaufbahn des Mars und in 4.3 Jahren die Umlaufbahn von Pluto. Die Freisetzung einer Aerographit-Hohlkugel, deren Hülle 1 µm dick ist, bei 0.04 AE (die größte Annäherung der Parker Solar Probe) führt zu einer Fluchtgeschwindigkeit von fast 6900 km s−1 und einer Reisedauer von 185 Jahren bis zur Entfernung unserer nächsten Stern, Proxima Centauri. Die Infrarotsignatur eines metergroßen Aerographitsegels konnte mit JWST bis zu 2 AE von der Sonne entfernt, jenseits der Umlaufbahn des Mars, beobachtet werden. Eine Aerographit-Hohlkugel mit einer 100 µm dicken Hülle und einem Radius von 1 m (5 m) wiegt 230 mg (5.7 g) und hat einen Massenspielraum von 2.2 g (55 g), um interstellare Flucht zu ermöglichen. Die Nutzlastspanne beträgt das Zehnfache der Masse des Raumfahrzeugs, während die Nutzlast bei chemischen interstellaren Raketen typischerweise ein Tausendstel des Raketengewichts beträgt. Bei Verwendung von 1 g (10 g) dieser Marge (z. B. für Miniaturkommunikationstechnologie mit der Erde) würde es 4.7 Jahre (2.8 Jahre) nach dem interplanetaren Start bei 1 AE die Umlaufbahn von Pluto erreichen. Eine vereinfachte Kommunikation würde Studien des interplanetaren Mediums und eine Suche nach dem vermuteten Planeten Neun ermöglichen und als Vorläufermission für αCentauri dienen. Wir schätzen die Entwicklungskosten für Prototypen auf 1 Million US-Dollar, einen Preis von 1000 US-Dollar pro Segel und insgesamt < 10 Millionen US-Dollar inklusive Start für ein Huckepack-Konzept mit einer interplanetaren Mission.

Eine unter der Schirmherrschaft des NASA Institute for Advanced Concepts (NIAC) entwickelte Technologie, der Plasmamagnet, bietet einen Weg zu Hochbeschleunigungsmanövern im Sonnenwind, einschließlich schneller Transite zu äußeren Planeten und zur Sonnengravitationslinse.

Das AIAA Nuclear and Future Flight Propulsion Technical Committee hat eine konzeptionelle Designstudie einer Demonstratormission, JOVE, gesponsert. Im Falle eines Fluges würde JOVE die entscheidende Flugdemonstration dieser Technologie liefern. Das solarbetriebene Raumschiff würde etwa 25 Kilogramm wiegen und in drei Wochen den Jupiter erreichen und dabei erstaunliche 300 Kilometer pro Sekunde erreichen. Herr Greason ging auf die wichtigsten Designherausforderungen ein, die während des Konzeptentwurfs aufgedeckt wurden, überprüfte den aktuellen Stand und besprach mögliche nächste Schritte.

Jeff Greason ist ein Unternehmer und Innovator mit 25 Jahren Erfahrung in der kommerziellen Raumfahrtindustrie. Er ist der Cheftechnologe von Electric Sky und entwickelt drahtlose Langstreckenenergie für Antriebe und andere Zwecke. und Vorsitzender der Tau Zero Foundation, die fortschrittliche Antriebstechnologien für Sonnensystem- und interstellare Missionen entwickelt. Er war aktiv an der Entwicklung der kommerziellen Raumfahrtregulierung beteiligt und war 2009 Mitglied der Presidential Augustine Commission. Jeff war Mitbegründer von XCOR Aerospace und fungierte von 1999 bis Anfang 2015 als CEO. Zuvor leitete er das Raketentriebwerksteam bei Rotary Rocket und technischer Leiter in der Chip-Technologie-Entwicklung bei Intel. Er ist Inhaber von 28 US-Patenten und hat kürzlich Artikel über neuartige Weltraumantriebskonzepte veröffentlicht. Er ist außerdem Gouverneur der National Space Society.