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Können wir extrasolare Planeten erreichen?
Dr. Bernd PfeifferAstronomische Gesellschaft
Astronomische Arbeitsgemeinschaft Mainz
Freitag, 6. Juli 2007
Es gibt für den menschlichen Geist kein NIEMALS, höchstens ein NOCH NICHT.Die Frau im Mond, Fritz Lang 1929
Vortrag bei dem VdSt Asciburgia zu Mainz
Blick von Gliese 581c auf GJ 581
• Persönliche Anregungen• Nachweis extrasolarer Planeten• Reisezeiten mit heutiger Raketentechnik• Hilft die Kernenergie weiter?
• Spaltung• Fusion
• Alternativen?• Müssen wir selber hinfliegen?
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Anregungen zum ThemaEine Motivation für die Wahl des Themas waren 2 Vorträge, einenvon mir gehaltenen über den Einsatz von Atombomben in derRaumfahrt und einen von Christoph Scheidenberger über denNachweis extrasolarer Planeten auf einem von Karl-Ludwig organisierten Workshop. Ich wollte den letzten Vortrag ergänzenum eine kurze Darstellung der Möglichkeiten, diese fremdenPlaneten zu erreichen, doch war damals die Zeit zu knapp.
Im Laufe der Vorbereitungen bemerkte ich, dass das Thema mehr Bezüge zu den Arbeits-gebieten von Karl-Ludwig und mir hat, als ich dachte, auch wenn wir noch nicht die Ideehatten, die Sterne zu besuchen, deren Elementgehalt wir erklären wollen. Und ob die uralten Sterne, für die wir uns interessieren, Planeten haben können, ist ungewiss.
http://www.staff.uni-mainz.de/bpfeiffe/mz_ws06.pdfhttp://www.uni-mainz.de/Organisationen/vistars/talks_russbach2007/russbach2007_scheidenberger.pdf
Mir persönlich kam die Erinnerung an eine der erstenSpezialvorlesungen im Physikstudium bei Prof. Löb in Gießen über die Physik der Raketen, gehalten von einem der Pioniere der Ionentriebwerke.
Teststand JUMBO Mikro-Radiofrequenz-IonentriebwerkDer gestrandete ESA-Satellit ARTEMIS wurdemit solch kleinen Ionentriebwerken gerettet.
Radialgeschwindigkeitsmethode
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“Die Erde ist die Wiege der Menschheit, aber der Mensch kann nicht ewig in der Wiege bleiben!”Konstantin E. Ziolkowski, 1895
Etana Mythos (Akkadisches Rollsiegel, 2200 v.Chr.)
F. Godwin (ca. 1600) J. Wilkins (1638)
Unzählige Sonnen existieren, unzählige Erden umkreisen diese Sonnen, so wie die siebenPlaneten unsere Sonne umkreisen. Lebendige Wesen bewohnen diese Welten.
Dell' infinito universo e dei mondi, Giordano Bruno, 1584
Viele Menschen glauben, dass fremde Welten bewohnt sind.
Und schon seit jeher träumten die Menschen davon, zu den Himmelskörpern zu fliegen und Kontakt zu den dortigen Zivilisationen aufzunehmen.
Lukianos, um 170 AD
Keplers „Traum“Das Manuskript war mitAuslöser des Hexen-prozesses seiner Mutter
Jules Verne„De la Terre à la Lune“
„Autour de la Lune“
Savinien Cyrano de Bergerac„L‘autre-monde“ (1657/62)
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Los Alamos Badge
Fermi-ParadoxonDie Frage, ob es noch weitere technisch hochstehende Zivilisationen gibt, wurde auch in der Kantine von Los Alamos beim Mittagessen diskutiert.
Enrico Fermi machte 1950 eine Überschlagsrechnung: Eine entwickelte Zivilisation, die interstellare Reisen mit ca. 1% der Lichtge-schwindigkeit durchführen kann, benötigt zur Durchquerung und Kolonisationder Milchstraße (100.000 Lj) einige 10 Mill. Jahre, nur ein flüchtiger Augenblickim Leben des Universums.
Die Galaxis sollte also unzählige raumfahrende Zivilisationen beherbergen.
Das Paradoxon besteht nun darin, dass wir bisher noch keine Hinweise auf extraterrestrischeZivilisationen gefunden haben! (Wenn wir mal von Erich von Däniken absehen.)
Seit über 50 Jahren wird dieses Paradoxon diskutiert, es existiert eine umfangreiche Literatur.Heute Abend möchte ich nur drei der diskutierten Lösungen erwähnen:• Es gibt zwar alle diese Zivilisationen, doch sie wollen mit uns nichts zu tun haben.• Interstellare Reisen sind technisch unmöglich.
Dies war ein Motiv zur Durchführung der Machbarkeitsstudie “Projekt Daedalus”.• Wir sind allein!
Man sollte nicht unerwähnt lassen, dass die Diskussionen reichlich “akademisch” waren, danoch nicht einmal fremde Planeten entdeckt waren, geschweige denn extraterrestrisches Leben!
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Arecibo-Nachricht16.11.1974
Drake-GleichungAuf einer Konferenz in Green Bank, USA, im November 1960 stellte Frank Drake eineAbschätzung der Zahl der technologischfortgeschrittenen Zivilisationen in der Milch-straße vor, die miteinander kommunizierenkönnten:
Die Parameter sind äußerst unsicher. Das Einzige was wir wissen ist, dassdie Anzahl N ≥ 1 sein muss, da wir selbst schon Botschaften ins All sendeten.Die Entdeckung der Exoplaneten grenzt einige Werte ein, die Bedingungenfür das Entstehen von Leben sind weiterhin völlig ungewiss.
Arecibo-TeleskopGreen Bank Teleskop
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Nachweis extrasolarer PlanetenAlle glaubten daran! Doch wieso gelang erst nach 1990 der Nachweis?
Es sei daran erinnert, dass Astronomen seit dem Altertum nach der Parallaxe der Fixsternebis 1836 vergeblich gesucht hatten. Zum einen waren die Instrumente zu ungenau und zum andernmussten erst noch unerwartete “Bewegungen” entdeckt und dann herausgerechnet werden.Im Bild links ist die gesuchte Parallaxe kleiner als einer der Punkte.
Mit der astrometrischen Methode wurden unsichtbare Begleiter gefunden,wie der Weiße Zwerg bei Sirius. Beobachtungen von Planeten um naheSterne wie Peter van de Kamps Messungen an Barnards Pfeilstern 1937konnten mit präziseren Instrumenten nicht bestätigt werden.
Gibt es andere Verfahren?
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Alternative Techniken
Radialgeschwindigkeit Transit
Entgegen der Schulweisheit bewegen sich die Planeten nicht um eine feststehende Sonne, sondern alle Körper des Systems bewegen sichum den gemeinsamen Schwerpunkt, also auchdie Sonne. In unserem System hat der massereiche Jupiter die größte Wirkung. Man ging also davon aus, dassder äußerst geringe Effekt nur über einen Zeitraumvon einem Jahrzehnt beobachtet werden könnte.Zwei Gruppen begannen Daten zu sammeln.Eine war zu ungeduldig und entdeckte 1995 einenPlaneten um 51 Peg, der sich entgegen aller Er-wartungen nahe am Stern aufhielt, obwohl er einGasriese ist: “Hot Jupiters”.
Ein weiteres Verfahren entspricht den Transits vonMerkur oder Venus vor der Sonne, wobei das Son-nenlicht abgeschwächt wird. Dies kann sogar vongut ausgerüsteten Amateuren angewandt werden.
Lichtkurve von CoRoT-Exo-1b
Der Satellit CoRoT wurde nicht nach Camille Corotbenannt. Früher hatten Wissenschaftlermehr Bezug zur Kultur.
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Die “Zweite Erde”?
Der Hauptantrieb besteht natürlich nicht darin, irgendwelche Planeten zu entdecken, sondernerdähnliche Planeten, die möglichst noch von intelligenten Wesen bewohnt sind, die wir kontaktierenkönnen. Deshalb konzentriert sich die Suche auch auf sonnenähnliche Sterne. Doch die heutigenGeräte können am besten Gasriesen sehr nahe am Stern auffinden, die sehr heiß sind.Vor einigen Monaten verkündeten Genfer Astronomen, nun einen erdähnlichen Planeten um den roten Zwergstern Gliese 581 gefunden zu haben. Sie schätzten die Temperatur auf 0 bis 40°.Damit könnte Wasser als Voraussetzung für Leben vorhanden sein.
Klimaexperten wiederprechen zwar dieser Abschätzung für GJ581c, dochkönnte ein weiterer Planet, GJ581d einfache Lebewesen beherbergen.
Die “Zweite Erde” ist noch nicht gefunden,doch stehen wir erst am Anfang!
Wir untersuchen extrem metallarme, uralte Sterne mit [Fe/H] um -3. Ob sie genügendschwere Elemente zur Bildung von Steinplaneten aufweisen, weiß man nicht.
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Eisenhower vor UNO8. Dezember 1953
„Atoms for Peace“
Da werden sie ihre Schwerter zu Pflugscharen und ihre Spieße zu Sicheln machen. Denn es wird kein Volk wider das andere ein Schwert aufheben und werden fort nichtmehr kriegen lernen. Jesaja 2:4
Ein Anstoß für die zu schildernden Entwicklungen war Präsident Eisenhowers Programm „Atoms for Peace“. Die USA waren bereit, Teile ihrer Nukleartech-nologie anderen Nationen für friedliche Nutzung zur Verfügung zu stellen. So entstand z.B. der erste kommerzielle Reaktor in Shippingport 1957, der Prototyp für die Druckwasser-Leistungsreaktoren. Damals standen aber die An-wendung von Radioisotopen in Medizin, Biologie, Werkstoffkunde im Vordergrund.
Bedeutsam für die Universität Mainz sollte die „Second Geneva Conference forthe Peaceful Uses of Atomic Energy“ (1. – 13. September 1958) werden.Der Hauptanziehungspunkt der amerikanischen Ausstellung (mitten in Genf!) war ein aus Kalifornien eingeflogener neuer Forschungsreaktor, der gerade nochrechtzeitig während der Konferenz in Betrieb ging. Ein 2. Reaktor wurde ein Jahrspäter dann von Präsident Eisenhower höchstpersönlich auf der Weltagrarmessein New Delhi in Betrieb genommen.
Prof. Haber mit Mausefallen
Natürlich lief die militärische Nutzung weiter. Vor dem Stapellauf des Atom-uboots Nautilus beauftragte Eisenhower Walt Disney mit der „Öffentlichkeits-arbeit“. Haber schuf 1956 die weitverbreitete Film-/Buch-Propaganda-Kombi-nation. Sie ist, nebenbei gesagt, sehr lesenswert und strotzt nur so vonwissenschaftlich fundierter Information. Ganz im Gegensatz zu vielen Doku-mentationen in den privaten (und nicht nur da) Fernsehprogrammen.
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Kontrastprogramm zu Los Alamos
General Atomic, San Diego, ca. 1965
Frederic de Hoffmann (1924-1988)
Im Sommer 1956 versammelte er eine ausgesuchte Schar von Koryphäen, die Vorschläge für Projekte machen sollten, die von der neuen Firma vermarktet werden könnten. Edward Teller schlug einen „idiotensicheren“ Kernreaktor für Ausbildung und Isotopenproduktion vor. Eine alte Idee von Stan Ulam und de Hoffman zum Antrieb eines Raumschiffs wurde auch ins Auge gefasst: Project Orion. Bei der Inbetriebnahme des TRIGA-Prototyps 1958 mitten im Kalten Krieg schlug Niels Bohr vor, dieses Projekt zusammen mit Russland zu verwirklichen.
Der Durchmesser des Gebäudes wird nocheine Rolle spielen.
„Atoms for Peace“ bewog de Hoffmann, eine Firma zur friedlichen Nutzung der Kernenergie zu gründen. Es gelang ihm, General Dynamics zu begeistern und im Herbst 1955 wurde General Atomic gegründet. Im bewussten Gegensatz zu den Arbeitsbedingungen in Los Alamos konzipierte er ein Firmengelände, das Sportplätze und Schwimmbad umfasste. Das Herz der Anlage ist eine umfang-reiche Bibliothek, die mit einer Cafeteria gekoppelt ist.
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The birth of TRIGAThe original TRIGA patent, “Reactor with Prompt Negative Temperature Coefficient and Fuel Element Therefor,” was filed on May 9, 1958, by Theodore Taylor, Andrew McReynolds, and Freeman Dyson and assigned to General Atomic on March 31,1964 (Fig. 4).
Freeman Dyson (1923) Theodore Brewster Taylor (1925-2004)
Die inhärente Sicherheit beruht auf dem negativenTemperaturkoeffizienten der UZrH-Brennelemente.
Taylor und Dyson waren auch die treibenden Kräfte bei Project ORION.
12„Atomminister“ Siegfried Balke
Günter HerrmannFrederic de Hoffmann Fritz Straßmann
Ankauf des Mainzer TRIGA-Reaktors
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Die schon seit dem 13. Jahrhundert militärisch eingesetzten chemischen Raketen (Liegnitz 1241, Kopenhagen, ColonelCongreves Raketencorps in der Völkerschlacht, Sezessions-krieg) beflügelten auch schon lange den Erfindungsgeist potentieller Raumfahrer. Der Mandarin Wan Hu soll 47 Raketen unter einem Sitz befestigt haben und dann von seinen Dienern gleichzeitig zünden lassen. Man sah ihn nie wieder!Diese Technik ist jetzt zuverlässiger und das „Arbeitspferd“.
Wan Hu, ~1500Congreve um 1815
In der ScienceFiction stellen die immensen Entfernungen zu Sternenkein Problem dar, man manipuliert einfach die Raum-Zeit: z.B.“Warp-Antrieb” der USS Enterprise.
Doch welche Techniken stehen uns heute zur Verfügung?
Alternative Techniken, z.B. Ionentriebwerke, wurden auch schon erprobt, doch steckensie noch in den Kinderschuhen. Der Schub der Testmodelle ist noch sehr bescheiden.
A) Im All erprobte Techniken
B) Noch nicht im Flug erprobte TechnikenDie Supermächte haben viel Geld in den Einsatz der Kernenergie für Raketenantriebegesteckt, doch ohne über Teststände am Boden hinauszukommen. Privat finanzierteSonnensegel scheiterten bisher am Versagen der (chemischen) Trägerraketen.
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FluchtgeschwindigkeitA) Erde• Für Satelliten > 8 km/s • Mond und weiter 11 km/sB) Sonnensystem• Sonnenoberfläche 617 km/s• Erdorbit 42 km/s• Jupiter 18 km/s
Raketengrundgleichung:Hohe Gasgeschwindigkeit vG und hohes Verhältnis Start- zu Endmasse bedeuten hohe Geschwindigkeit
[s]
Spec. Imp. * 10 m/s2 = vG in m/s
Raketen mit chemischen Triebwerken
Mit heutiger Technologie kann eine 1-stufigeRakete etwa 9 km/s erreichen, also in erdnahenOrbit wie das Space Shuttle (kein Mondflug!).(Tatsächlich ist das Shuttle parallelgestuft durchdie Feststoffbooster, also eher 2-stufig.)Mehrstufen-Systeme können zu den Gasplanetengelangen.Doch kommen wir damit zu den Sternen?
Ionentriebwerke erreichten schon 4000 s, doch bei geringem Schub.
Spec. Imp. * 10 m/s2 = vG in m/s
ORION
Daedalus
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Sonden am Rande des Sonnensystems• Pioneer 10 2.3.1972• Pioneer 11 6.4.1973• Voyager 1 5.9.1977• Voyager 2 20.8.1977• (New Horizon 19.1.2006)
V’GER in Star Trek: Der Film
Die Sonden raubten dem Jupiter etwas Energie und könnendas Sonnensystem verlassen. Sie sind ca. 100 AE entferntund werden in 10 Jahren den interstellaren Raum erreichen.Sie haben eine Geschwindigkeit von max. 17 km/s, in einemJahr legen sie bis 3.6 AU zurück.
Pioneer 10 fliegt in Richtung des Sterns Aldebaran, dem rechten Auge des Stiers.
Wann wird sie dort ankommen?d/v = 65Lj * 63240AE / 2.6AE
In ca. 1.600.000 Jahren!
Aphel Pluto48,8 AE
Aphel Sedna900 AE
Boten der Menschheit
Haben wir Alternativen?
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Schon die frühen Raketenpioniere um 1900 ahnten, dass chemische Raketen nicht ausreichen würden. Die Entdeckung der Radioaktivität 1896 versprach Wunderdinge. Lange setzten alle auf das 1898 von Marie Curie entdeckte Radium, sei es die Strahlung oder die Energie. Doch sehr spekulativ! Als es Gramm-Mengen gab, wollte man z.B. mit 880 Pfund Radium in 3 Tagen zur Venus fliegen.
R.J. Oppenheimer, Trinity Test Site,16.7.1945
“Now I am become Death, the Destroyer of Worlds”Ich bin die allesverschlingende Zeit und (bin) der Ursprung der Dinge, die sein werden; Bhagavad-Gita 10:34 (Lehren des Gottes Krishna)
The Universe is run by nuclear energy. Space will be conquered only by manned nuclear-powered vehicles!Dr. Krafft Arnold Ehricke, Peenemünde, später USA (Atlas-Rakete)
In den Weltraumabenteuern von Flash Gordon 1933/5 wird Radium in großen Öfen zum Heizen verwandt!
Andere buken erstmal klei-nere Brötchen:Der Verein für Raumschiff-fahrt mit der MIRAK, der„Minimalrakete“, der erstenFlüssigtreibstoffrakete.Die REPULSOR erreichte1 km Höhe.
Raketenflugplatz, ca. 1930
Doch sowohl die Rakete als auchdie Kernenergie zeigten ihre tech-nischen Möglichkeiten erst kurz vorBeginn des WWII.Das Interesse des Militärs sichertezwar fast unbegrenzte Ressourcenfür die Entwicklung, doch hat dieKernenergie das negative Image nie verloren.
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Nukleare ICBM statt RaumfahrtDie meisten Wissenschaftler sahen in der 1938 von Hahn/Strassmann entdeckten Kernspaltung jedoch nicht die zerstörerische Seite, sondern eine paradiesische Zukunft für die Menschheit.
Insbesondere der 1942 von Fermi erbaute erste Reaktor schien den Weg zu den Sternen zu eröffnen. Noch vor der ersten Explosion diskutierte man in den Labors den Einsatz der Spaltung für Luft- und Raumfahrt. In Los Alamos beteiligten sich daran z.B. Stan Ulam, Frederic de Hoffman, Fred Reines.
Auch in Peenemünde träumte man von der Atomenergie .
Nach anfänglicher Euphorie schliefen die Projekte um 1950 ein, die technischen Problemeschienen in naher Zukunft nicht lösbar.
Der überraschend schnelle Fortschritt der sowjetischen Kernwaffen- und Raketenentwicklung führte zu einem Wiederaufleben. Die ersten Wasserstoffbomben waren riesig, nicht beweglich. Testreihen 1956 ergaben zwar die Aussicht auf kleinere Bomben hoher Sprengkraft. Die Projekte für Raketen wie die ATLAS kamen abernicht recht voran und es war unsicher, ob sie ausreichen würden.Um sicher zu gehen, beschlossen die amerikanischen Politiker und Militärs sowohl chemische als auch nukleare Raketen zu entwickeln.
Redwing Cherokee (20. Mai 1956)
Sprengkraft 3,8 Mt,von B52 über Bikini
abgeworfen
Ivy Mike 31.10.1952Ulam-Teller-Prinzip
Und dann träumten wir von der Atomenergie, die uns endlich den Antrieb für den Flug in die Unendlichkeitdes Raumes, zu den Sternen geben sollte. Dornberger in „V2“
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Project ROVER
Tests in Nevada
Schema des thermo-nuklearen Antriebs
Teststand in Nevada
Ein Weg zur Nutzung der Kern-spaltung für den Antrieb von Raketen wurde bis zu Triebwerktests auf dem Boden begangen. Dabei wird Gas über die Brennelemente geleitet, das sich stark erhitzt und durch die Düse austritt. Das Gas kann höhere Austrittsgeschwindigkeiten vG als bei chemischen Reaktionen erreichen. Doch begrenzt die Temperatur-festigkeit der Reaktorteile die Geschwindigkeit. Für die Tests wurde flüssiger Wasserstoff eingesetzt, den man erst zur Kühlung verwendet.
Russische Radarsatelliten hatten teilweise Kernreaktoren an Bord zur Stromversorgung. Nach einemAbsturz über Kanada mit Kontamination wurden die amerikanischen Tests eingestellt.
http://www.aemann.pwp.blueyonder.co.uk/spacecraft/nerva/nerva.html
Zwei Projekte gediehen bis zu Tests am Boden:
NERVA und PLUTO.
Thermonukleare Raketenantriebe
Größenvergleich einiger Testreaktoren. Alle nicht flugfähig!
PHOEBUS 2 war mit 5000 MWth einer dergrößten je gebauten Kernreaktoren überhaupt.
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Ähnliche Entwicklungen gab es auch in der Sowjetunion. Gerüchteweise sollen extrem hohe Temperaturen imReaktor erreicht worden sein, die z.B. für die Anwendungin einem Kugelhaufenreaktor interessant wären.Mit dem Ende der SU starben auch diese Projekte 1990, ohne dass es eine Flugerprobung gab.
RD-410Vorgesehen für Marsmissionauf einer Saturn IV.
Project NERVANuclear Engine for Rocket Vehicle Application
Flugfähiges Modell
1973 wurde ROVER nach geschätzten Kosten von 1,4 Mrd. $ (heutiger Wert etwa 5 Mrd. $) beendet.Wiederbelebungen unter den beiden Bushs scheiternauch wiederum an den Kosten für die Irakkriege.
Project PLUTOSLAM ─ Supersonic Low Amplitude Missile
Man erreichte bei den nuklearen Tests spezifische Impulse von ca. 1000 s.Kein gewaltiger Fortschritt gegenüber den 450 s eines Space Shuttles!
Das leistungsfähigste Modell Tory IIC hatte einen500 MW Reaktor. 465.000 oxidische Brennstäbein Hexagonalform waren von 27.000 Luftkanälendurchzogen. Der Reaktor wurde 1964 für 45 Sekunden betrieben. Der Schub von 170 kN hätte für Mach 3 gereicht. Doch in 45 Sekunden kommt ein „Cruise Missile“ nicht weit!Nukleare Super-V1
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Externally-ignited Nuclear Pulse Rocket
Bomben haben eine große Zerstörungskraft. Deshalb kann man sie nicht wie bei einer chemischen Rakete in einer Brennkammer zünden und die “Gase” durch eine Düse auslassen und zum Antrieb verwenden.Man zündet die Bomben außerhalb des Schiffes und lenkt eine Plasmawolke auf eine Prallplatte, die das Gefährt anstößt, ohne es zu erhitzen.Als Prallplatte war in den ursprünglichen Plänen eine 15 cm dicke Stahlplatte mit dem Durch-messer 135 Fuß (entsprechend dem Bibliotheksgebäude von General Atomic) vorgesehen. Um die Beschleunigungen für die Besatzung erträglich zu halten, war ein doppeltes Stoßdämpfer-system erforderlich, von dem niemand wusste, ob es funktionieren würde.Und obwohl das etwa 100.000 Grad heiße Plasma nur insgesamt eine Sekunde mit der Plattewechselwirken würde, konnte nicht geklärt werden, inwieweit die Platte dadurch erodiert würde.
Der externe Pulsantrieb für Raketen wurde schon früh vorgeschlagen:1881 von N. I. Kibaltschitsch (1854-1881) und 1891 von Hermann Ganswindt (1856-1934), Erfinder, die etwas zu früh geboren wurden.Nun werden beide durch einen Mondkrater verewigt.
Kibaltschitsch hatte seine Arbeit im Gefängnis kurz vor der Hinrichtung geschrieben. N. Rynin fand sie im Archiv des Innen-ministeriums und publizierte sie 1918 im historischen Magazin БЫлое (Das Vergangene).
Sowohl die chemischen als auch die nuklearthermischen Triebwerke haben 2 limitierende Faktoren: • die freigesetzte Energie lässt sich nicht nicht beliebig erhöhen• die Wärmebeständigkeit der Werkstoffe für Brennkammer und Düsen und die Kühlrate
Project ORION
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Sputnik I 4.10.1957
Laika in Sputnik II3.11.1957
Der Sputnik-Schock
31.1.1958Explorer 1 auf Juno C
Eine Modifikation der Redstone, die i.W. eine V2 war.
Der Start der ersten sowjetischen Satellitenführte in der amerikanischen Öffentlichkeit zu der panischen Angst, im Kalten Krieg zu unterliegen. Jedoch war man nicht so weit zurück, doch viele Köche verderben den Brei!Die ARPA und NASA hatten die Aufgabe, dievielen Programme zu koordinieren.In diesem Klima, gepaart mit der damaligenÜberzeugung, das Atom könne alle Problemelösen (selbst Autos antreiben), wurden selbst die unwahrscheinlichsten Vorschläge gefördert.
Bei General Atomic erinnerte man sich eines Vorschlags, den Stan Ulam nach manchen Quellen schon bald nach dem Trinity Test gemacht hatte: Er wollte einen Atomsprengkopf mit einer Atombomben-explosion auf eine ballistische Bahn bringen. 1955 hatte er mit C.J. Everett ein „realistischeres“ Projekt in Los Alamosausgearbeitet. Am Tag von Sputnik II unterbreitete General Atomic:„Note on the Possibility of Nuclear Propulsion of a Very Large Vehicle at Greater than Earth Escape Velocities“.Nach intensivem Lobbying durch Ulam, Bethe, Teller genehmigte die ARPA999750 $, da die eigentlich zuständige NASA noch nicht eingesetzt war.
12.4.61Gagarin
Ford Nucleon concept car, 1958
Wie konnte solch ein Projekt Steuergelder finden?
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20 Jahre später wurden einige Los Alamos Reports freigegeben. LAMS-1955 schlägt den „Externally-Ignited Nuclear Pulse“ Antrieb vor. Erwähnt werden ältere Reports von 1946 (Ulam)und 1947 (Reines, Ulam).
Interessante Umschreibung einer Atombombe: „expandable reactor“
In diesem Report wird der Ulam-Teller-Mechanismus eingeführt: „…placing between each bomb and the rocket a „propellant“ consisting of water or some plastic, which will be heated by the bomb,….“
http://orion.ttsw.com/orionpdf/ulam%201955EXT%20NUCLEAR%20350011.pdf
„On a Method of Propulsion of Projectiles by Means of External Nuclear Explosions“.C.J. Everett, S.M. Ulam
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Frederick (Fred) Reines (1918-1998),Nobelpreis 1995 für Entdeckung desNeutrinos, hat sich auch mit der An-wendung der Spaltung in der Raumfahrtbeschäftigt.
„Some Schemes for Nuclear Propulsion“ (März 1958)
http://www.sciencemadness.org/lanl2_a/lib-www/la-pubs/00339493.pdf
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„Lew Allen‘s Balls“
Atombomben werden gebaut wegen ihrer Zerstörungskraft. Wie kann man auf die wahnsinnige Idee kommen, sich in ein Raumschiff zu setzen, hinter dem in 50 – 100 Metern Entfernung Bomben explodieren?Das sagte sich auch der Bombenspezialist Ted Taylor. Doch indirekt beantworteten er und sein Physikerkollege Lew Allen diese Frage.
Tritium, das in H-Bomben (oder künftigen Fusionsreaktoren) zum Einsatz kommt, hat eine kurze mittlere Lebensdauer von ca. 18 Jahren. Man befürchtete, dass es zu einer Verknappung kommen könnte. Ted Taylor hatte die Idee, die bei den Testexplosionen freigesetzten Neutronen zum Brüten zu verwenden. Doch dazu musste das Material direkt unter der Bombe angebracht werden und so geschützt werden, dass man danach das Tritium gewinnen könnte.Damals war Lew Allen ein Kollege in Los Alamos, der an den Tests beteiligt war. Er beschichtete Stahlkugeln mit Graphit und brachte sie nahe an den Bomben an.Erstaunlicherweise überlebten „Lew Allen‘s Balls“ die 6 Mt Explosion von CastleBravo am 1.3.54. Bei anderen Tests zeigte es sich, dass generell Plastik einen geringeren Abrieb als Metall hat.
Dr. Lew Allen (1925)
Nach seiner aktiven Militärlaufbahn wurde Allen Direktor des JPL. Zu seiner Zeit flogen die Voyager-sonden am Saturn vorbei, und nicht ORION.
Um die absurd erscheinende Idee, ein Raumschiff mit Atombombenanzutreiben, plausibel zu machen, waren noch 2 wesentliche Schritte notwendig: • „Lew Allen‘s Balls“• Ulam-Teller Mechanismus
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Ulam-Teller Mechanismus
Edward Teller1908-2003
Stanislaw (Stan) Ulam1909-1984
Im luftleeren Raum des Alls würde eine Bombe keinen Antrieb liefern, sondern nur γ-Strahlung und Neutronen.Stan Ulam kam die Idee, dass sein Mechanismus zur Zündung einer Wasserstoffbombe ein Ausweg wäre.Am Beginn der Entwicklung der H-Bombe sah es so aus, dass die Schockwelle der Spaltbombe den Fusions-teil pulverisieren würde, bevor die Fusion stattfinden könne.
Ulam schlug vor, Material durch die Röntgen- und γ-Strahlen der Spaltbombe zu verdampfen und das entstehende Gas zur Kompression der H-Bombe zu verwenden. Die Strahlung ist schneller als die Schockwelle, sodass die Fusionsbombe zünden kann. Teller und de Hoffmann führten die Idee von Ulam dann aus. Die Absorption der Strahlung ist optimal für ein Gemisch leichter Elemente, wie in Polystyrol. Für ORION wurde z.B. an Eis von den Jupitermonden oder Harnstoff gedacht.
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Puls-Einheit für die Mars-Missionen mit NASA
Detaillierte Konstruktionspläne für diese Einheiten sind noch immer klassfiiziert. Zum einen will man nichtverraten, wie klein eine Bombe werden kann (Gefechtsfeldbomben), und zum andern soll die Technik der gerichteten Explosion geheim bleiben (Project Casaba-Howitzer, Star Wars). [Doch siehe GOOGLE!]
Ted Taylor war Spezialist für Bombendesign, besonders interessiert an Mini-Bomben, wie dem W54-Typ, dessen Sprengkraft von ca. 15 bis 250 Tonnen TNT-Äquivalent ist.
http://de:wikipedia.org/wiki/Davy Crockett (Atomrakete)Sie sollten sowjetische Panzerarmeen z.B. im „Fulda Gap“stoppen. 2100 waren von 1961-71 im Truppeneinsatz.
Wolfram
Beryllium
In den ersten Plänen war vorgesehen, mit Atombomben vom Boden aus zu starten. Zur Zeit der atmosphä-rischen Tests machte man sich noch nicht allzuviel Gedanken über Strahlenexposition und mögliche Todes-fälle durch Krebs. Später wollte man das ORION-Schiff als 2. Stufe einer Saturn einsetzen. Das erfordertsehr kleine Sprengsätze wie bei Atomgranaten.
Für einen Marsflug wären ca. 3000 Einheiten mit etwa 1 kt Sprengkraft nötig gewesen. Die Explosionenwären im Sekundentakt erfolgt. Die überwiegende Zeit wäre das Schiff antrieblos gewesen.
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Für Project ORION wurden möglichst kleine Sprengsätzebenötigt. 100 Tonnen TNT hatte man 1945 zur Kalibration der Atombombe explodieren lassen.
Frames aus DVD „Trinity & beyond“.
Was sind 100 Tonnen TNT?
BLU-82/B („Daisy Cutter“), die größte konventionelle Bombe, hat 5,7 Tonnen Al-Pulver und Ammoniumnitrat.
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Teststarts mit konventionellem Sprengstoff
Das Magazin fasste 6 Sprengladungen.
Als Theoretikerhält man liebereinen Sicher-heitsabstand ein.
Der “Putt-Putt”-Antrieb
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Warum wurden die nulearen Projekte aufgegeben?
Neben vielen ungelösten technischen Problemen waren es eine Reihe mehr politischer Entschei-dungen, die diese Projekte Anfang der 60’iger Jahre beendeten.Projekt ORION war nur eine relativ billige Machbarkeitsstudie gewesen (ca. 10 Mill. $). Als manerste nukleare Versuche ins Auge fasste, wurde der Teststoppvertrag abgeschlossen.NERVA stand unmittelbar vor einer Flugerprobung (ca. 250 Mill. $). Sie wurde nicht durchgeführt,da Politiker die immensen Folgekosten eines Erfolges fürchteten: bemannter Flug zum Mars.
Verteidigungsminister McNamara fürchtete, dass diese Projekteein Fass ohne Boden würden wie das Projekt eines atomgetrie-benen Fernbombers, für den seit 1946 7 Mrd. $ ausgegeben wur-den, ohne dass man auch nur in die Nähe eines Flugmodells ge-kommen war.Militärisch waren diese Raketen nicht mehr nötig, die H-Bombenkonnten mit chemischen Raketen befördert werden.Und für Raumflüge für Forschungsreisen war ja eh die NASA zu-ständig, die aber alle Mittel für den Mondflug benötigte. Aircraft Nuclear Propulsion Program
Zu Beginn der 60’iger trat auch eine neue Riege von Politikern an, die sich mehr innenpolitischenProblemen zuwandten. Kennedy beendete die meisten Programme und lenkte die Gelder teilweiseins APOLLO-Programm um. Johnson hatte die Raumfahrt gefördert, doch als Präsident wollte ereine neue Gesellschaft errichten (ohne neue Steuern). Doch alle Pläne scheiterten an Vietnam.
Nach dem Ende des APOLLO-Programms wurden alle bemannten Raumfahrtprojekte beendet,man beschränkte sich auf unsere Türschwelle: die ISS umrundet die Erde in 300 km Höhenoch innerhalb der Exosphäre.
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Alternative: KernfusionProjekt Daedalus
1973-8 ließ die British Interplanetary Society eine Gruppe junger Ingenieureuntersuchen, ob man mit in naher Zukunft zur Verfügung stehender Technikeine unbemannte Sonde in einem Menschenalter zu einem nahen Sternschicken könnte. Als Ziel wählte man Barnards Pfeilstern, da man damalsPlaneten entdeckt hatte. Doch was bedeutet das für die Geschwindigkeit?
Abstand: 5.97 Lj oder 377.543 AE oder 56.482.000.000.000.000 kmFlugzeit: 40 Jahre oder 1.262.000.000 sGeschwindigkeit: 44.760 km/s 15% der Lichtgeschwindigkeit
Die nötige Energie kann nur durch Kernreaktionen freigesetzt werden, sei es durch Kernspaltungoder besser noch durch Kernfusion. In den 60igern hatte man in den USA Kernspaltung in mehreren Varianten untersucht, doch ohne zufriedenstellende Ergebnisse.Ein “utopisches” Projekt wollte hinter einer Scheibe von 150 km Durchmesser 10 MillionenWasserstoffbomben zünden, um ca. 3 % Lichtgeschwindigkeit zu erreichen.
Unrealistisch! Doch einige Ideen sind brauchbar:• Kernfusion (aber nicht mit Wasserstoffbomben)• Zünden außerhalb des eigentlichen Schiffes
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Brennstoff (Deuterium und Helium-3) ist in kleinenKügelchen eingeschlossen, die mit Elektronen, Ionenoder Laserlicht konzentrisch beschossen werden.Die äußere Hülle verdampft und der Rückstoß kom-primiert das Zentrum so stark, dass Kernfusionerfolgt. Dies ist schon gelungen, doch mit Anlagender Größe von Fabrikhallen.
Inertialkompression: Miniaturisierung der Wasserstoffbombe
D-T-Fusion für Kraftwerke setzt1 Neutron frei, das Strahlen-schäden bewirken könnte.
Für Daedalus waren Elektronenstrahlen vorgesehen.Magnetfelder sollten zum einen das Plasma von denWänden fernhalten und noch zusätzlich beschleunigen.Induktionsschleifen sollten den Strom für das Schiffgewinnen.
Mit 500 Explosionen pro Sekunde, einem Zweistufen-konzept und einer Brenndauer von 4 Jahren ergibtsich ein Bedarf von etwa 50.000 Tonnen Treibstoff.(Das Schiff muss dann noch schwerer sein!)
Doch woher nehmen?
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Zusammenbau am Jupitermond Callisto
Beschaffung des Brennstoffs:Ballongetragene Anlagen inJupiteratmosphäre vorgesehen.Bedarf künftiger Fusionsreaktorenvom Mond?
Künstliche Intelligenz:Steuerung von Erde unmöglich,Sonde muss autark arbeiten.Wird schon für Missionen er-probt, wie bei “Deep Space 1”
Zuverlässigkeit von Hard- undSoftware:Systeme müssen 50 Jahre langfunktionieren ohne Reparatur.Da bleibt noch einiges zu tun.
Ist die Studie heute noch von Bedeutung?
Projektleiter Alan BondDie untere Düse/Antenne
hat ca. 50 m Durchmesser.
Project Daedalus Study Group: A. Bond et al., ''Project Daedalus - The Final Report on the BIS Starship Study'‘, JBIS (Interstellar Studies), Supplement 1978
Die “nahe Zukunft” von 1978 liegt doch (leider) in fernerer Zukunft.
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Doch etwas Geduld kann von Vorteil sein
Eigenbewegung von Barnards Pfeilstern: links 1950, rechts 1997
Weshalb hat der Stern BD+4°3561a den Beinamen“Barnards Pfeilstern”?
1916 bemerkte E.E. Barnard die Verschiebung dieses “Schnell-läufers” gegenüber den Hintergrundsternen. (Ein halber Mond-durchmesser in der Lebenszeit eines Menschen!) Kombiniert mit der Blauverschiebung findet man, dass sich derStern der Sonne mit ca. 140 km/s nähert. Um AD 11.800 beträgt der Abstand nur noch 3,8 Lj.
In den Sommermonaten mit einemFernrohr sichtbar nahe 66 Oph.
Bis dahin haben wir vielleicht auch einsuperschnelles Raumschiff.
Barnards Stern
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Nähere und (sehr) ferne Perspektiven
100 kW Prototyp: „Institut für Raumfahrtsysteme“ Stuttgart.
Weltweit wird intensiv an elektrischen Triebwerken gearbeitet, seien esIonen-, Plasma-, Lichtbogentriebwerke. Solarzellen werden für ihrenStrombedarf kaum reichen. Irgendeine Form nuklearer Energie wirdzum Einsatz kommen müssen. Wenn Deutschland weiter selbst Forschungauf diesem Gebiet verweigert, scheidet es aus der 1. Liga aus.
Konzepte wie Sonnensegel(links) machen kaum Fort-schritte. Die private Interpla-netary Society scheitertezweimal mit russischen Ra-keten. Für interstellaren Flug müss-ten immense Laserkanonen eingesetzt werden.
Es geistern noch viele Ideen durchdas Web, doch oft zu phantastisch.Wie Bussards „Ram-Jet“ (rechts), der den interstellaren Wasserstoff aufsammeln und fusionieren soll.Man hat weniger als ein Molekülpro cm3!
Encyclopedia of Astrobiology, Astronomy and Spaceflight: Advanced Propulsion Conceptshttp://www.daviddarling.info/encyclopedia/A/advanced_propulsion_concepts.html
http://abyss.uoregon.edu/~js/space/lectures/lec25.html
Cosmos 1
Selbst Kernspaltung und Fusion scheinen für interstellare Flüge nichtauszureichen. Mehr Energie ergibt die Materie-Antimaterie-Zerstrahlung.In den großen Beschleunigeranlagen kann man Antimaterieteilchenerzeugen, selbst einige Anti-Atome wurden schon beobachtet. EntgegenRomanen wie Dan Browns “Illuminati” sind Fragen wie Produktion imindustriellen Maßstab und vor allem Speicherung noch völlig offen.
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Doch müssen wir hinfliegen, um extrasolare Planeten zu studieren?
Was die Sterne sind, wissen wir nicht und werden es nie Wissen!Heinrich Wilhelm Dove, um 1860
Kirchhoff und Bunsenpp. 161 - 189
Bis zur Mitte des 19. Jahrhundertswar die Wissenschaft überzeugt,dass man nie herausfinden wird,aus welcher Materie die Himmels-körper bestehen. Auch die Exoplaneten müssen wirbis auf weiteres mit den klassischenMitteln der optischen Spektroskopieuntersuchen. Allerdings erfordert das die Weiter-entwicklung der Techniken, da dasLicht der Sterne das schwache, reflektierteLicht der Planeten überstrahlt.
Zur völligen Überraschung der Fachleute konnten mit dem Spitzer Infrarot-teleskop der NASA erste Spektren aufgenommen werden. Die “Hot Jupiters”enthielten kein Wasser, doch zeigten sich Hinweise auf Silikatkörner. Im Fall des Planeten HD189733b gelang sogar eine noch sehr sehr grobeKartierung der oberen Atmosphäre.Mit neuen Instrumenten hofft man Zeichen von Leben auf
erdähnlichen Planeten zu finden.HD189733b
36Vortrag bei dem VdSt Asciburgia zu Mainz
Freitag, 6. Juli 2007
Zusammenfassung und Aussicht
• Wir wissen jetzt, dass es weitere Sonnensysteme gibt, auch wenn sie nichtganz unseren früheren theoretischen Erwartungen entsprechen.
• Eine “Zweite Erde” wartet noch auf die Entdeckung. • Die Frage, ob wir diese Welten aufsuchen sollen, muss noch nicht beantwortet
werden. • Mit unserer augenblicklichen Technologie können wir in vertretbaren Zeiten nicht
einmal unbemannte Sonden dahin schicken. • Die heute wieder viel diskutierte Kernenergie (Klimawandel) scheint uns auch
nicht zu den Sternen zu bringen. Eine Randbemerkung: Anfang der 60’iger wollte man die nuklearen Raketen auf eineSaturn-Rakete setzen. Der geplante Nachfolger ARIES V wird wieder dafür vorge-schlagen. Alles kehrt wieder!
• Man sollte eh nicht den 2. Schritt vor dem 1. tun!Die Erforschung der Exoplaneten mit den klassischen Mitteln der Spektroskopiestellt eine große Herausforderung für die Astronomen dar, doch mit den Erfahrungender letzten 150 Jahre ist es eine lösbare Aufgabe.
