Antrieb mittels Kielfeldbeschleuniger möglich?

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Antrieb mittels Kielfeldbeschleuniger möglich?
« am: 01. September 2020, 17:12:08 »
Hallo zusammen,

könnte ein Kielfeldbeschleuniger ein effektiver Antrieb für Satelliten und Raumfahrzeuge darstellen? Forscht man eventuell schon daran oder scheitert man an einer effektiven Energiequelle für den Laser?

https://www.scinexx.de/news/technik/rekord-laengster-lauf-eines-plasmabeschleunigers

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Offline Nitro

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Re: Antrieb mittels Kielfeldbeschleuniger möglich?
« Antwort #1 am: 01. September 2020, 17:26:18 »
Hallo zusammen,

könnte ein Kielfeldbeschleuniger ein effektiver Antrieb für Satelliten und Raumfahrzeuge darstellen? Forscht man eventuell schon daran oder scheitert man an einer effektiven Energiequelle für den Laser?

https://www.scinexx.de/news/technik/rekord-laengster-lauf-eines-plasmabeschleunigers

So wie ich das hier sehe ist ein derartiger Plasma-Teilchenbeschleuniger nicht praktikabel als Raumfahrtantrieb. Zum einen waeren immense Energiequellen benoetigt.

Ein groesseres Problem ist eher der erzeugte Schub. Da diese, wie auch herkoemmliche, Teilchenbeschleuniger mit Elektronen arbeiten, ist die beschleunigte Masse einfach zu gering um einen nennenswaerten Schub zu erzeugen.

Aktuelle Ionenatriebe nutzen hier vor allem Edelgas-Atome wie Xenon oder Argon als Treibstoff, welche eine um mehrere Faktoren hoehere Masse haben.

Der letzte Punkt waere dann wahrscheinlich die Plasmaquelle, welche fuer den eigentlichen Einsatz als Treibstoff mitgefuehrt werden muss. Der Artikel gibt leider wenig Aufschluss darueber welches Element hier als Quelle dient und auch nicht wie hoch der Energieaufwand ist, der benoetigt wird um das Plasma und den Laserstrahl zu erzeugen.
Bevor man einen Beitrag letztendlich abschickt sollte man ihn sich noch ein letztes Mal durchlesen und sich dabei überlegen ob man ihn genau in diesem Wortlaut auch Abends seinem Partner und/oder Kindern ohne Bedenken vorlesen würde.

McPhönix

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Re: Antrieb mittels Kielfeldbeschleuniger möglich?
« Antwort #2 am: 01. September 2020, 17:54:59 »
Neben den schon angeführten Punkten ist für mich einer der Nachteile, daß immer ! eine "große Materialmenge" mitgeführt werden muß, die nicht weniger wird. Also grob gesagt, Magnete, Kupferkabel und Stahl um alles in präziser Form zu halten. Ein Schlitz in einem Kristall wird nicht reichen. Das Plasma muß auch zusammengehalten werden. Und dieser energiereiche Lasrstrahl kommt auch nicht grad aus einer 2 Gramm Leuchtdiode.

Das alles im Gegensatz zu Treibstoff, der verbraucht wird und die Rakete leichter wird. Also effizienter mit jedem Liter, der rausdonnert.

Ionenantriebe sind auch nur eine Notlösung, die man freilich für einige Maßnahmen braucht und halt nutzen muß.
Aber die Zeiten, wo die o.g. große Materialmenge einen Schub möglich macht, der Aufwand und Nutzen in einen günstigen Bereich bringt, sehe ich noch nicht.

Re: Antrieb mittels Kielfeldbeschleuniger möglich?
« Antwort #3 am: 02. September 2020, 09:25:04 »
Vielen Dank für die Antworten.
Ergänzen möchte ich noch, dass es bei dem verwendeten Gas um Wasserstoff handelt, dem eine kleine Menge Stickstoff beigemischt ist.
Verwendet wird das  200 TW, 25 fs laser system ANGUS der Uni Hamburg/DESY.

Weitere Infos:
https://journals.aps.org/prx/abstract/10.1103/PhysRevX.10.031039
https://accelconf.web.cern.ch/IPAC2015/talks/moac2_talk.pdf

Offline Dominic

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Re: Antrieb mittels Kielfeldbeschleuniger möglich?
« Antwort #4 am: 05. September 2020, 21:28:29 »
Generell muss man aber sagen das es durchaus eine interessante Option sein kann eine optische Energiequelle für einen Raketenantrieb zu verwenden. Damit lassen sich einerseits sehr hohe spezifische Impulse erzielen, andererseits kann man so eine Energiequelle nutzen die von einem Raumfahrzeug nicht mitgeführt werden muss, sei es etwa ein weit entfernter Hochleistungs-Laser oder die Sonne.

Siehe dazu auch: https://en.wikipedia.org/wiki/Laser_propulsion

Ein Elektronenbeschleuniger ist aber generell wenig als Antrieb geeignet, eben weil Elektronen so leicht sind. Sinnvoller ist es schwerere Ionen (Atomkerne) zu beschleunigen.

Offline Hugo

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Re: Antrieb mittels Kielfeldbeschleuniger möglich?
« Antwort #5 am: 05. September 2020, 22:20:32 »
Hat man bei einem Antrieb für einen Satelliten nicht das Problem, woher die Elektronen kommen? Sprich: Man braucht am Ende einen "Treibstoff", welcher verbraucht wird.

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Offline Klakow

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Re: Antrieb mittels Kielfeldbeschleuniger möglich?
« Antwort #6 am: 06. September 2020, 13:52:57 »
Generell kann man sagen, dass es nicht um eine hohe Ausströmgeschwindigkeit (ISP) geht, sondern eine passende optimale Geschwindigkeit geht um mit möglichst wenig Masse ein hohes dV zu erreichen. Bei chemischen Treibstoffen hat man die Energie automatisch dabei, hier ist der limitierende Faktor die maximale Brennkammertemperatur und die spezifische Masse des Verbrennungsproducktes.
Hier ist praktisch beim ca. 4650m/s im Vakuum feierabend.
Andere Verfahren müssen die Energie z.B. per Kernreaktor mitnehmen,  aber auch hier sind dem Grenzen gesetzt aufgrund der maximalen Temperatur und dem genutzten Gas.
Faktisch ist da nicht mehr als 10km/s erreichbar, theoretisch natürlich besser, aber eben nur mit Wasserstoff überhaupt sinnvoll, nur ist da halt die miese lagerfähigkeit ein Problem, ausser man ist eine Sonne....
Bei Plasmatriebweren braucht man zwar eine externe Energiequelle, aber das Plassma kann man recht gut in einem Magnetfeld einsperren. Nachteil ist hier das man zwar recht flexibel was den ISP betrifft ist, aber die Trieberke sind recht aufwendig und schwer. Ionentriebwerke sind hier zwar nicht viel anders, allerdings sind die Triebwerke  technisch einfacher und brauchen weniger Masse.
Hier hat man einen großen Freiheitgrad beim gewünschten ISP, bei zwei praktischen Ansätzen ist im wesendlichen die spezifische Leistung des Solarsystems der limitierende Faktor. Beim Treibstoff ist vermutlich Xenon die effektivste Wahl, nur ist das Zeug sehr aufwendig zu gewinnen, hätte man ein sehr effektives Solarsystem kann man auch Argon gut einsetzen, dass ist auch aus der Marsatmosphäre einfach zu gewinnen. Der wesendliche Grund warum man das bis jetzt nur bei Satelliten nutzt, ist hier die Energiequelle,  aber ich bin überzeugt das dies sich im freien All bald ändern wird.

Re: Antrieb mittels Kielfeldbeschleuniger möglich?
« Antwort #7 am: 06. September 2020, 14:32:23 »
Ein weiterer Punkt:
Die Plasmazelle bei LUX mag zwar nur 1 cm lang sein, der Laser füllt aber ein komplettes Labor über zig optische Tische  ;)
"Dragon 2 is designed to be able to land anywhere in the solar system. Red Dragon Mars mission is the first test flight." - Elon Musk

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Offline Klakow

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Re: Antrieb mittels Kielfeldbeschleuniger möglich?
« Antwort #8 am: 06. September 2020, 14:56:44 »
Nachtrag, man sollte soch auf keinem Fall von einer hohen Ausströmgeschwindigkeit blenden lassen, ein Triebwerk muss sowohl Treibstoffmasse, wie energieeffizient sein, in der einen Richtung braucht man zwar extrem wenig Treibstoff, aber wahnsinnig viel Energie, im anderen Extrem viel zu viel Masse. Ein ganz wichtiger Zusammenhang ist: ISP~v^2