Was kann man eigentlich mit elektrischen Antrieben machen?

Ich habe mal ein Gedankenspiel, bzw. eine Rechenaufgabe für die Theoretiker.

Es gibt ja verschiedene elektrische Antriebe, die ihre Massen elektrisch beschleunigen und als Ionen ausspucken.
Die sind alle in der Testphase und natürlich noch klein, aber behaupten wir einfach mal die kann man nach oben offen skalieren und damit bemannte Raumfahrt ermöglichen.

Was könnte man damit tatsächlich machen ? Behaupten wir mal wir hätten einen tragbaren Atomreaktor dabei der ca. 20MW Strom ausspuckt und einen Antrieb der tatsächlich soviel umwandeln könnte.

Wieviel Beschleunigung bekäme man damit hin ? Wieviel Strahlmasse bräuchte man für welchen Zeitraum ?
Wenn ich damit zum Mars will, wieviel Treibstoff müsste ich mitnehmen ? Könnte ich durchgehend mit 1 G beschleunigen um künstliche Schwerkraft zu haben ?

Gucken wir einfach mal:

Der "Hall-Thruster X3 Nested-channel Hall Thruster (NHT)" hat jetzt 5N Schub bei 100kW Leistungsaufnahme. Bei 20MW und selber Effizienz wären das dann 1kN Schub.

Ein Raptor (vac.) soll etwa 1,9kN Schub besitzen.

Für 1 G Beschleunigung müsste das ganze Raumschiff (ALLES! Samt deines Reaktors, des Treibstoffs, der Nutzlast etc!!) 100kg wiegen.
Ich glaub da hast du falsche Vorstellungen von der Schubstärke von elektrischen Antrieben und davon wie viel 1 G über so lange Zeit ist.
Oder anders rum: ein Monat hat ~2.500.000 sekunden. 1 g 'Schub' sind ~10m/s²
---> nach einen Monat hätte das Raumschiff eine Geschwindigkeit von 25.000 km/s ~ 10% der Lichtgeschwindigkeit

Danke, das sind doch mal sinnvolle Zahlen.

Aber 100kg ist natürlich zuwenig, Marsmissionen wären wohl etwas grössere Raumschiffe. Aber warum nicht, behaupten wir die Masse wäre ca. 100 Tonnen.

Dann wären wir bei 20MW bei 1 tausendstel G und bei 200 MW entspricht das 1 hundertstel G.
Grössere Reaktoren werden im All wohl nicht realisierbar sein, solange wir keine Sternenzerstörer bauen können

Aber wir müssen ja nur zum Mars. Wenn man mit einem hundertstel G einen Monat beschleunigt und dann einen Monat wieder bremst, wieviel Strahlmasse würde man denn verbrauchen ? 

[...]
---> nach einen Monat hätte das Raumschiff eine Geschwindigkeit von 25.000 km/s ~ 10% der Lichtgeschwindigkeit

*scherz an* Nach einem Monat Betrieb bei 100kg Masse inklusive Treibstoff ist das ganze Ding eine physikalische Be
sonderheit, weil bereits ein vielfaches des Vorhandenen Treibstoffs verbrannt wurde und das Ding aus vielen Tonnen negativer Materie besteht
Ganz egal ob von einem elektrischen oder chemischen Triebwerk angetrieben *scherz aus*
Es ist mit keiner bekannten Technologie moeglich, laengere Zeit (>1h) mit 1g zu Beschleunigen. Ganz egal wieviel Sprit man mitnimmt.

Der Zusammenhang ist nicht einfach zu verstehen, das sind die Elemente der Betrachtung:

Der spezifischer Impuls ergibt mit der Treibstoffmasse, Leermasse und Nutzlast (genaugenommen (Leermasse + Nutzmasse + Treibstoff) / (Leermasse + Nutzmasse)) den moeglichen Geschwindigkeitsgewinn.

Die Leermasse haengt ab von der Menge an Treibstoff (mehr Treibstoff --> groessere Tanks) und dem Gewicht des Antriebssystems (Raketentriebwerk, Turbopumpen etc).

TWR (Thrust pro Weight Ratio) beschreibt das Verhaeltnis des Schubs zum Gewicht des Raketentriebwerks (das Gesamtverhaeltnis inklusive des Treibstoff- und Nutzlastgewichts ergibt dann die Beschleunigung).

Bei klassischen Raketentriebwerke ist der TWR recht hoch, i.d.R. ueber 50, teilweise ueber 150. Dafuer ist der spezifische Impuls geringer.

Bei elektrischen Antrieben ist der spezifische Impuls deutlich hoeher als bei den klassischen, chemischen Antrieben (bis zu Faktor 10), aber der TWR ist sehr gering: im Gegensatz zu einem Raketentriebwerk wie das vom Spaceshuttle wird neben z.B. den Hall-Thrustern auch z.B. ein Atomreaktor oder entsprechende Solarpanels benoetigt. Ich habe auf die schnelle keine Zahlen, aber ich schaetze dass das TWR bei weit weniger als 0.1 liegt.

Der Zusammenhang ist nicht fix. Wenn ich nur langsam beschleunigen muss (da bereits im All), kann ein verhaeltnismaessig kleines elektrisches Triebwerk gewaelt werden, wodurch die Leermasse nicht allzusehr ansteigt. Ich beschleunige damit zwar nur mit einigen Promillen eines g Schub, kann dafuer aber bei einem gegebenen Gesamtgewicht einen grossen Geschwindigkeitszuwachs erzielen.

Der hohe spezifische Impuls gängiger elektrischer Antriebe führt dazu das man für eine bestimmte Schubkraft wesentlich mehr Leistung benötigt, in dem Fall elektrische Leistung. Die Antriebskraft ist bei einer gegebenen Leistung schließlich umgekehrt proportional zum spezifischen Impuls.

Gleichzeitig ist das Antriebsaggregat schwerer; viel schwerer als ein chemisches Raketentriebwerk welches ja auch relativ zu seiner Leistung sehr leicht ist... Ein Kernreaktor inklusive Abschirmung und Kühlsystem (oder alternativ ein solares Energiesystem), eine Turbine, ein Radiator und ein Generator oder eine äquivalente Wärmekraftmaschine und schließlich das elektrische Triebwerk- das ist in Summe eben viel schwerer als eine Brennkammer, eine Düse und eine Treibstoffpumpe...

Aus diesen Gründen ist es nicht oder kaum möglich mit elektrischen Antrieben ähnlich hohe Beschleunigungen zu erzielen wie das mit chemischen Triebwerken üblich ist. Aber für eine gegebene Impulsänderung benötigt man viel weniger Treibstoff. Und dadurch kann man ein solches Triebwerk über einen langen Zeitraum durchgehend betreiben. Davon profitiert man mehr je länger man fliegt.

Für zeitkritische bemannte Flüge sind elektrische Triebwerke daher vor allem bei langen Flugdistanzen interessant, etwa bei Flügen zum Mars oder noch eher bei noch längeren Flugdistanzen etwa zum Jupiter.

Bei kürzeren Flugdistanzen ermöglichen sie es immerhin noch zwar langsamer dafür aber mit weniger Startmasse zum Ziel zu kommen weil man weniger Treibstoff braucht um ein bestimmtes Ziel zu erreichen.

Wie sieht das eigentlich bei Schiffen mit Gaskernreaktoren aus?

Wasserstoff als Reaktionsmasse wird in einen Reaktor bei 20000 Grad gegeben.

Wenn ich mich nicht irre hat man die in den 60ern mal durchgedacht.

Micha