Durch Swing-By's nach Proxima Centauri?

Also ich hab mich gefragt ob es denn nicht möglich wäre ein Raumsonde vollgepackt mit Steuerdüsen und Treibstoff auf eine komplizierte Reise durch unsere Sonnensystem zu schicken, nach welcher die Sonde einen nennenswerten Prozentsatz der Lichtgeschwindigkeit erreicht hat und Richtung Proxima Centauri unterwegs ist.

Auf der Reise durch unser Sonnensystem würde sie etliche Swing-By's an verschiedenen Planeten durchführen um so immer schneller zu werden. Das grösste Hinderniss wäre aus meiner Sicht die schwierige Berechnung der Flugbahn. Doch auch dies müsste doch lösbar sein, da die Sonde vermutlich Jahre unterwegs sein wird von einem Planeten zum nächsten (z.B Slingshot vom Saturn zurück zu den innern Planeten) und sie Steuerdüsen mit viel Treibstoff dabei hat. Da könnten die Berrechnungen und Kurskorrekturen doch nach und nach erfolgen.
Daher meine Frage: Wäre so etwas möglich um sagen wir in etwa 30 Jahren nach Proxima Centauri zu gelangen. 10 Jahre für die Swing-By's um auf ca. 25% der LG zu kommen und dann 20 Jahre Reise zu Proxima Centauri.

Oder ist das nur Wunschdenken von einem Astronoob?

Wären 180°-Richtungsänderungen bei einem Swing-By überhaupt möglich, um nicht direkt aus dem Sonnensystem geschleudert zu werden?

Der Aufwand würde fast gar nix bringen, man sollte eine Sonde vom Jupiter aus der Planetenebene nach Süden schleudern, und hoffen, dass sich die Menschheit nicht vernichtet und die Klimakrise bewältigt, denn die Reise dorthin dürfte wohl mehr als 10.000 Jahre dauern. Hab jetzt nicht die Mittel und das Wissen, das genau nachzurechnen, im Rechnen bin ICH ein Noob, aber hier gibt's wohl genug Rechengenies, die das könnten... aber diese komplizierte slingshot Mission hat ja allein schon deswegen keinen Sinn, weil AC ja im Süden liegt. Diese Methode des Verlassen der Ekliptik wurde ja schon bei einer Sonnensonde angewandt, puh, wie hieß die noch? 

Ausserdem müsste mit unserer beschränkten Technik ein gigantisches Raumschiff konstruiert werden, das die Kosten des Apollo-Programms zum Taschengeld degradiert! Schaut euch die Dokumentation von Arte  auf YT an,

Leben im All

https://www.youtube.com/watch?v=Pd9jN-6nDcM

Hallo Baluu

Ungewöhnliche Ideen finde ich toll. Danke dafür. Mach weiter so.

Durch einen engen Fly-by an Jupiter läßt sich eine Geschwindigkeits-
Erhöhung von 10 km/sec erreichen. Bei masseärmeren Planeten wird
die Geschwindigkeitserhöhung schnell kleiner. Um also eine Geschwindigkeit
von 75.000 km/sec zu erreichen musst du also 7500 mal an Jupiter vorbei.

Leider ist deine Sonde schon lange vorher auf interstellarer Geschwindigkeit.
Die Fluchtgeschwindigkeit aus dem Sonnensystem beträgt in der Erdentfernung
42 km/sec. So bald du so schnell geworden bist - und Tschüss.
Da wird es schwer wieder an Jupiter vorbei zu fliegen.

Richtungsänderungen von nahe 180 Grad (um Zurückzufliegen) setzt Punktmassen
voraus. Planeten wie Jupiter sind keine Punktmassen.

Matjes

.. Diese Methode des Verlassen der Ekliptik wurde ja schon bei einer Sonnensonde angewandt, puh, wie hieß die noch? 

Die Sonde hiess ULYSSES (ursprünglich International Solar Polar Mission, ISPM):
https://de.wikipedia.org/wiki/Ulysses_(Sonde)

Leute das funktioniert nicht, wenn die Sonde schneller wird als die Fluchtgeschwindigkeit vom Jupiter, verlässt eine Sonde das Sonnensystem, mehr geht nicht. Das wären 60km/s, mehr ist da nicht drin.
Die Berechnung der Flugbahn geht mit jedem PC, notfalls über Nutzung der Rechencores der Grafigkarte.
Derzeit gibt es keinerlei denkbarer und realisierbarer Lösungen  da viel schneller zu werden, was vielleicht gehen würde sind vielleicht 300km/s, da besteht vielleicht wirklich die Möglichkeit sowas realisierbarer zu bekommen. Hätte man die Kernfusion, nicht als Bombe wohlgemerkt, könnte es vielleicht auch 3000km/s sein, aber daa sehe ich eher nichtmehr zu meinen Lebzeiten.

Mal abgesehen von dem Fluchtgeschwindigkeit Problem. SwingBy funktioniert nur wenn die Geschwindigkeit der Sonde in derselben Größenordnung der Geschwindigkeit des Planeten liegt. Die Sonde sollte möglichst lange dem Planeten nachlaufen und sich im beschleunigenden Schwerkraftbereich aufhalten. Bei Geschwindigkeitesdifferenzen mehrerer Größenordnungen wäre die Effizienz eines SwingBy gegen Null. Die Sonde würde das Schwerkraftfeld des Planeten bei minimaler Kursänderung einfach durchschießen.

Bei 25% Lichtgeschwindigkeit bräuchte man vermutlich einen Neutronenstern um SwingBy zu machen.

Aus all diesen Gründen schlägt ja Breakthrough Starshot auch nicht Swing-By-Manöver, sondern Impulsübertrag von irdischen Lasern als Antrieb vor, um auf 20% der Lichtgeschwindigkeit zu kommen - siehe u.a. hier: https://forum.raumfahrer.net/index.php?topic=14256.0

An Klakow

Die Berechnung der Flugbahn geht mit jedem PC, notfalls über Nutzung der Rechencores der Grafigkarte.

Kannst Du mir dabei helfen? Ideen für die Mathematik habe ich schon. Aber wie berechnet man eine Flugbahn?
Hilfe !

Matjes

In den deutschen Wikipedia Artikeln zu Pioneer 10 und 11, Voyager 1 und 2, sowie New Horizons gibt es Grafiken, wie sich sich Swingbys auf die Geschwindigkeit ausgewirkt haben.
Beim Swingby von New Horizons am Jupiter wurde NH gerade mal 23 km/s schnell.

An Klakow

Zitat von: Klakow am 15. Februar 2020, 15:36:46

Die Berechnung der Flugbahn geht mit jedem PC, notfalls über Nutzung der Rechencores der Grafigkarte.

Kannst Du mir dabei helfen? Ideen für die Mathematik habe ich schon. Aber wie berechnet man eine Flugbahn?
Hilfe !

Matjes

Nicht wirklich, das läuft über Differenzialrechnung, als Formel bekommst du das nicht gelösst soweit ich das weis, das läuft im prinzip so das man die Beschleunigung die sich durch die Anziehungskraft ausrechnet. Im Prinzip geht das über das Grafitationgesetzt und du musst die aktuellen Bewegungsvektoren nehmen und dann ausrechnen wie sich die Vektoren ändern. Ganz banal ist das wenn du aus 1m höhe runter springst, du und die Erde ziehen sich an.

Keine Differenzialrechnung und auch keine Rechencores der Grafikkarte ... einen Flyby kann man auf Papier rechnen, u.a. in Übungen im Studium.

Ein Flyby ist ein hyperboler Vorbeiflug an einem Körper, z.B. Jupiter, der die Richtung und Größe des Geschwindigkeisvektors einer Sonde gegenüber der Sonne ändert.

Im mitberwegten Koordinatensystem von Jupiter ist die Bahn aber einfach eine Hyperbel, aus der Unendlichkeit kommend und wieder in die Unendlichkeit entschwindend. Diese Bahn ist einfach zu berechnen. Auf ihr ist die ankommende Geschwindigkeit im, gleich der abfliegenden Geschwindigkeit aus dem Jupitersystem.

Der zweite Rechenschritt ist die Koordinatentransformation, um den abfliegenden Geschwindigkeitsvektor wieder in das ruhende Koordinatensystem der Sonne zu transformieren. Da kommt dann in der Vektoraddition die Bahngeschwindigkeit des Jupiters dazu. Und aus dieser Vektorsumme ergibt sich ein Gewinn oder Verlust an Geschwindigkeit gegenüber der Sonne.

Wenn man jetzt mehrere Flybys machen möchte, kann man das auch noch quasi auf Papier. Man muss dann z.B. den Flyby an Jupiter so parametrisieren, dass der Abflug "auf Saturn zielt" und dort der nächste Flyby stattfindet. Bei einfachen/direkten Geometrien, wie bei Pioneer und Voyager, kann man die grundlegende Bahn so noch auf Papier entwerfen ... optimieren ggf. am Rechner.

Schwierig wird es bei den heutigen Multi-Flybys, meist im inneren Sonnensystem an Erde und Venus. Diese Kombinationen kann man nicht mehr von Hand durchrechnen, sondern man braucht Suchalgorithmen, die verschiedene Konstellationen durchprobieren, ob sie möglich sind und was sie netto bringen.

Multi-Flybys an Erde und Venus bringen zwar jedesmal nur kleine Beiträge (verglichen mit einem Jupiter-Flyby). Dafür sind Venus und Erde durch ihre kurzen Umlaufzeiten viel häufiger an Ort und Stelle für einen möglichen Flyby. Man gewinnt also v.a. Flexibilität bei Startfenster und Missionsablauf.

Hallo

Es hat mir keine Ruhe gelasssen. Und habe die Gleichung für die Flugbahn berechnet.
Ein Satellit mit einer Relativgeschwindigkeit von 20 km/sec im Unendlichen muss die
Punktmasse Jupiter passieren in 30.000 km um Winkeländerungen um 270° 
zu erreichen. Nur schade, dass Jupiter einen Radius von 71.500 km hat.

Matjes

Warum denn 270°? Das ist ja keine Hyperbel mehr, kann also keine Flyby-Bahn sein.

Mit Swing-By-Manövern wird man die Flugzeit zu Proxima Centauri nicht abkürzen können, es sei denn es gäbe ein Schwarzes Loch, welches die Sonne umkreist. Die einzige Technik, mit der man einen Raumflugkörper in vernünftiger Zeit dorthin schicken könnte, wäre der nukleare Pulsantrieb, ggf. in Sonnennähe mit einem Sonnensegel kombiniert, um EMPs auf der Erde zu verhindern.
Eine derartige Sonde könnte auch große Nutzlasten befördern und auch vor dem Zielsystem abbremsen, was für detailliertere Untersuchungen vorteilhaft wäre. Wegen des Atomteststoppabkommens wäre dieses Vorhaben politisch schwer durchzusetzen, obwohl es die beste Möglichkeit für nukleare Abrüstung wäre...