Sonnensegel

Wenn man den Lichtstrahl zwischen Segel und Laser hin und herleitet, würde doch das Selgel nach vorne, der Laser nach hinten beschleunigt werden. Sind die am selben Schiff montiert, hebt sich die Wirkung auf, und du hast ein Lichtspiel ohne Antrieb?? 

Den Laser müsste man natürlich stationär aufstellen, also auf der Erde oder wegen der fehlenden Atmosphäre vielleicht besser auf dem Mond.

Auf 350.000 km Entfernung fächert sich ein stark fokussierter Speziallaser etwa auf Fußballfeldgröße auf. Da kommt bei der zweiten Reflexion nicht einmal mehr ein Millionstel des ursprünglichen Lichts an. Da macht die technische Realisierung wieder mal einen Strich durch die Rechnung. Zumindest heute noch.

Und was steht da so zusammengefasst drin?

Ich habe die letzten Beiträge zu Sonnensegeln und "multi-bounce"-Lasern aus dem "NASA Space Technology Roadmaps"-Thread in den Sonnensegelthread geholt.

In dem Artikel wird die Anwendung von mehrfach reflektierten Lasern zwischen Quelle und Segel diskutiert. Grundannahme ist, dass ein Laser durch Beugung und Streuung nur eine bestimmte Wirkstrecke [TeX]L_{_{max}}[/TeX] hat, nach der er zu schwach und zu weit gestreut wurde. Durch mehrfache Reflexion wird diese verfügbare Strecke zwischen den Spiegeln schneller 'aufgebraucht', es wird aber auch eine höhere Beschleunigung erzielt, was den größeren Effekt erzielen soll.

Wurde da ein Fehler gemacht?





Meine Abbildung zeigt den Weg des Lichts bei dreifacher Reflexion.
Im einfachen Fall legt das Licht den Weg [TeX]l=s[/TeX] zurück und erzeugt bei einfachem Impulsaustausch die Beschleunigung [TeX]a=a_{_1}[/TeX].
Im Fall mit dreifacher Reflexion legt das Licht den dreifachen Weg [TeX]l=3s[/TeX] (hin-her-hin) zurück und hat zweimal eine Impulswechselwirkung am Segel [TeX]a_{_2}=2a_{_1}[/TeX]. Um die doppelte Beschleunigung zu erhalten, wir das Dreifache des wirksamen Lichtwegs 'verbraucht'.

In Formeln gilt bei konstanter Beschleunigung:
[TeX]v=at[/TeX]
[TeX]s=frac{1}{2}at^{^2}[/TeX]

Zusammen ergibt sich so die Abhängigkeit der Geschwindigkeit von Beschleunigung und Weg:
[TeX]v=sqrt{2as}[/TeX]

Wenn man die obigen Faktoren für die Beziehungen der Wege und Beschleunigungen zwischen beiden Fällen einsetzt, ergibt sich:
[TeX]v_{_2}=sqrt{frac{2}{3}}v_{_1}[/TeX]
Bzw. allgemein für n Reflexionen:
[TeX]v_{_n}=sqrt{frac{n-1}{n}}v_{_1}[/TeX],
so dass man im Grenzwert n-->inf wieder beim Ausgangsfall einer Reflexion landet ...

Und dabei ist noch kein Reflexionsgrad [TeX]mu<1[/TeX] eingeflossen ...

Damit gewinnt man durch mehrfache Reflexion (Multi-Bounce) nichts, man verliert sogar. Der wirksame Lichtweg wird "schneller aufgebraucht" als man zusätzliche Beschleunigung durch die Reflexionen erhält.


Habe ich einen Denkfehler?

Ich glaube, du hast wirklich einen Fehler gemacht. Was ich bei dir nicht verstehe, warum v2 kleiner sein soll als v1. Das ergibt für mich erstmal keinen Sinn. v2 soll schließlich besagen, welche Geschwindigkeit das Segel nach 2 Reflexionen hat. Du berechnest aber, welche Geschwindigkeit bei der zweiten Reflexion zur schon vorhandenen Geschwindigkeit hinzukommt. Nach deiner Rechnung müsstest du v1, v2,...., vn summieren, um auf die Endgeschwindigkeit zu kommen. Diese ist dann deutlich größer als v1 (die Geschwindigkeit, die man ohne hin- und herreflektieren erreichen könnte)

mfg websquid

Hallo Stefan,

diese vergleichende Rechnung bezieht sich auf den Zustand am Ende der gesamten Beschleunigungsstrecke. Im zweiten Fall ist die nur noch 1/3 der des ersten Falls, bei doppelter Beschleunigung. Daher ist ist die Endgeschwindigkeit im zweiten Fall kleiner als im ersten Fall.

In Formeln:

[tex]v=\sqrt{2as}[/tex]

Fall 1:
[tex]s=s_{_1}[/tex]
[tex]a=a_{_1}[/tex]
[tex]v_{_1}=\sqrt{2a_{_1}s_{_1}}[/tex]


Fall 2:
[tex]s=s_{_2}=\frac{1}{3}s_{_1}[/tex]
[tex]a=a_{_2}=2a_{_1}[/tex]
[tex]v_{_2}=\sqrt{2a_{_2}s_{_2}}=\sqrt{2\cdot 2a_{_1}\cdot\frac{1}{3}s_{_1}}=\sqrt{\frac{2}{3}}v_{_1}[/tex]

Wieso soll die Strecke, die das Licht zurücklegt, denn relevant für  die Beschleunigung des Segels sein? Das ist mir an deinen Formel nicht klar 

Ich sehe das so:
Bei jeder Reflexion wird der doppelte Impuls des Lichtstrahls auf das Segel übertragen. Dieser Lichtstrahl wird natürlich von mal zu mal schwächer (Absorption, Streuung). Wenn man z.B. davon ausgeht, dass auf dem Weg 2s 10% Verlust herrscht, gilt für den gesamt übertragenen Impuls:

2p+1,8p+1,62p+1,458p....

Hätte man nur eine Reflexion, würde insgesamt nur 2p auf das Segel übertragen werden.

mfg websquid

Wie ich schon sagte: Man hat aber auch eine geringere Beschleunigungsstrecke.

Aber mit kommt da noch ein Gedanke. Nach 1/3 der Strecke "bricht" die zweite Reflexion weg (ist nicht mehr effektiv), die erste bleibt aber noch erhalten und wirkt "einfach" weiter.

Damit wird die Summe über die gesamte Strecke doch wieder größer. Ich rechne das mal nach.

In der Summe wird es doch größer ...  gut so :-).

Fall: einfache Reflexion

Nach der Strecke [tex]s_{_1}[/tex] hat das Segel mit der Beschleunigung [tex]a_{_1}[/tex] die Geschwindigkeit [tex]v_{_1}[/tex] erreicht.



Fall: dreifache Reflexion
Nach der Teilstrecke [tex]\frac{1}{3}s_{_1}[/tex] hat das Segel mit der Beschleunigung [tex]2a_{_1}[/tex] die Geschwindigkeit [tex]\sqrt{\frac{2}{3}}v_{_1}[/tex] erreicht.
Auf der restlichen Teilstrecke [tex]\frac{2}{3}s_{_1}[/tex] wirkt (vereinfacht angenommen) nur noch die eine Reflexion effektiv mit der Beschleunigung [tex]a_{_1}[/tex] und erzielt die weitere Geschwindigkeit [tex]\sqrt{2a_{_1}\cdot\frac{2}{3}s_{_1}}=\sqrt{\frac{2}{3}}v_{_1}[/tex]

In der Summe aus beiden Teilstrecken erhalten wir dann die Geschwindigkeit [tex]2\sqrt{\frac{2}{3}}v_{_1}\approx 1,63v_{_1}[/tex] gegenüber der einfachen Reflexion über die gesamte Strecke.

Für den Unteren Geschwindigkeitsbereich passt das.
Bei höheren Geschwindigkeiten ist der Dopplereffekt zu berücksichtigen.
D.h. Das Reflektierte Licht der Ersten Stufe ist Langwelliger und somit Energieärmer.
Bei der Zweiten und dritten durchlauf nimmt die Wellenlänge im Gleichen maße zu.

Verschiedene Wellenlängen benötigen wiederum verschieden geformte Spiegel um auf den gleichen Punkt zu fokusioeren.

Hierzu werden von der Wellenlänge abhhängige teildurchlässige Spiegel benötigt.
Dieses ist auf der Erde möglich, die Folie des Sonnensegels kann dieses aber nicht leisten.

Ich habe hier ein paar interessante pdf von meinem Prof.
http://www.spacesailing.net/
PDF´s  Solar sailing 1-3

Ich finde sie gut erklärt

MFG Steff

Hallo

Für den Unteren Geschwindigkeitsbereich passt das.
Bei höheren Geschwindigkeiten ist der Dopplereffekt zu berücksichtigen.
D.h. Das Reflektierte Licht der Ersten Stufe ist Langwelliger und somit Energieärmer.
Bei der Zweiten und dritten durchlauf nimmt die Wellenlänge im Gleichen maße zu.

Dopplereffekt, unterschiedlich auf jeder Laufstrecke der Strahlen? Von welchen Geschwindigkeiten und Entfernungen sprichst du?
Es stimmt zwar, dass beim Wechsel des Bezugssystems (Sonne --> Segel) eine Transformation geschehen muss. Je näher ich der Lichtgeschwindigkeit komme, desto weniger Impuls wird mir das nacheilende Licht liefern, um gegen Null zu konvergieren. Aber das zeigt sich in der Rechnung über die Lorentz-Transformation des Impulses, und damit der Wellenlänge. Das wird erst bei relativistischen Geschwindigkeiten wirksam.
Bei "unseren" Verhältnissen ist rotes Licht einer stationären Quelle aus Sicht der Segels immer noch rotes Licht ...

Ganz grundlegend noch: Und warum sollte dieser Effekt auf jeder weiteren Teilstrecke "stärker" sein? Die Länge der Laufstrecke für Wellenlängenverschiebungen spielt erst im astronomischen Maßstab eine Rolle, wenn das Licht so lange unterwegs ist, dass es die Raumdehnung zu spüren bekommt.

Hier ein interessanter podcast mit NASA Ingenieur  Dean Alhorn, in dem die Grundlagen und Anwendungsmöglichkeiten von Solar Segeln beschrieben werden:
http://www.pbs.org/wgbh/nova/space/alhorn-solarsails-au.html

Gruß,
KSC

p.S. Vielen Dank für den Tipp Getrud 

Gibt es weiterführende Quellen zur nächsten japanischen Mission? Hab mal gelesen das Japan eine Sonde zum Jupiter plant die auf der Sonnensegel und Sonnenzellentechnologie aufbaut die Richtung Venus eingesetzt wurde.

Hallo,

eine hübsche Anwendung der Sonnensegel könnte auch das Positionieren und Positionshalten von "Depots" an instabilen oder semistabilen Orten im inneren Sonnensystem, oder auch "nur" in der Nähe der Erde.

Wie mir scheint gibt es noch gar keinen Thread zum Konzept des E-sails?!
Beim stöbern durch die Vortragsthemen der EPSC-DPS-Tagung bin ich auf diesen kleinen Übersichtsartikel gestoßen:
http://meetingorganizer.copernicus.org/EPSC-DPS2011/EPSC-DPS2011-1564.pdf
Mit einem einzigen Raketenstart gleichzeitig 4 Sonden zu allen 4 Jovianischen Planeten schicken? Wie soll das gehen und wer soll das bezahlen?

Technisch und preislich soll das das sog. „Electric solar wind sail“ oder E-sail möglich machen.
Vom Prinzip her ähnelt es dem bekannten Solar Sail, nur dass es nicht den Impuls von Photonen ausnützt sondern die Kraft des Sonnenwinds.   
Das „Segel“ besteht aus 50-100 hauchdünnen, kilometerlangen Aluminiumdrähten. Diese werden mit einer electron gun (ich glaube einfach ein Elektronenemitter wie in Kathodenstrahlröhren) positiv aufgeladen. An dem entstehenden elektrischen Feld prallen die Protonen des Sonnenwinds ab und beschleunigen so das Raumfahrzeug. Großer Vorteil gegenüber dem Solar sail soll der viel einfachere Aufbau/Entfaltungsprozess sein. Es müssen nur die Drähte abgespult werden. Das Gewicht einer typischen Antriebseinheit bestehend aus 100 Drähten à 20km Länge + electron gun soll lediglich 100kg betragen! Für leichte Nutzlasten von +/-100kg sollen Endgeschwindigkeiten von 50-100km/s möglich sein. Ein Flug zum Neptun mit 500kg Nutzlast (gleiche Masse wie New Horizons) würde mit obigem Standard-E-sail nur 4,6 Jahre benötigen. Für Missionen ins Äußere Sonnensystem sind keine Swingby-Manöver notwendig und keine strengen Startfenster einzuhalten. Durch kippen des „Segels“ kann man die Richtung des eigentlich radial nach außen wirkenden Kraftvektors innerhalb gewisser Grenzen variieren. Gegen den Wind kreuzend kann man auch ins Innere Sonnensystem gelangen.
Nächstes Jahr soll der estnische Minisatellit Estcube-1 gestartet werden welcher einen ersten (10m langen) Draht testen soll.  Die ESA unterstützt jetzt mit knapp 2Mio Euro die weitere Entwicklung des E-sails.
Hauptquelle:
http://www.electric-sailing.com/
Dort gibt es auch eine Liste mit Publikationen zum Thema.

Ein vielversprechendes Konzept das -gemäß den Entwicklern- mit vorhandener Technik realisierbar ist und bei dem keine noch ungelösten großen Probleme zu erkennen sind.
Wenn allerdings nicht bald die Plutonium-238-Produktion wieder aufgenommen wird braucht man sich über Missionen zu den Gasriesen (und darüber hinaus) denke ich keine großen Gedanken mehr machen. Ich hatte gehofft dass man über den Sonnenwind auch gleich noch Strom produzieren könnte, aber das scheint leider nicht möglich zu sein. Die electron gun wird über Solarzellen mit Strom versorgt.

Hallo,

schön, dass das Thema wieder mal aufkommt. Wir hatten das hier schon vor ein paar Jahren. Ich gehe mal auf die Suche.

Nur zwei Anmerkungen:
Elektrische Leistung auch noch aus dem Sonnenwind zu schöpfen, wäre quasi nicht möglich und kontraproduktiv. Energie/Impuls ist nur einmal vorhanden und soll schon direkt für die Fortbewegung genutzt werden.

Wenn ich mich an die alte Diskussion richtig erinnere, dann war die Impulsdichte (Impuls/Quadratmeter) des Sonnenwinds um eine Größenordnung oder mehr kleiner als die der Lichtphotonen.

Eine Projektbeschreibung findet sich auch im EU-Forschungsprogramm FP7 - S. 70
http://ec.europa.eu/enterprise/policies/space/files/research/a_european_journey.pdf

da ist aber gerade von "powered by solar wind" die Rede. Das Projekt scheint in Finnland angesiedelt zu sein.

Hier haben wir's:
https://forum.raumfahrer.net/index.php?topic=3308.msg25697#msg25697

2008 hatten wir das finnische Projekt direkt in der Sonnensegeldiskussion. Es ist ja immer noch ein Sonnensegel, nur eben ohne Licht. Sogar ich war's damals

Lieber Besucher

da habe ich mal eine Nachfrage. So als begeisterer Segler. Wie willst Du mit einem Solar-Sail gegen den Wind segeln. Ein Segelboot schafft das, weil es mit seinem Rumpf im Wasser steckt. Dieser Rumpf verhindert ein Vertreiben nach Lee. Die Segel erzeugen eine kleine Kraft-Komponente in einem größeren Winkel als 90° zum Wind. Diese treibt das Schiff vorwärts. Die größere Kraft-Komponente kann mittels Rumpf und Schwert ins Wasser abgeleitet werden. Das Segelboot vertreibt ein wenig. Im Weltall gibt es aber kein Wasser, an dem man sich abstützen könnte.

Oder ich stell die Frage noch radikaler. Man kann die Projektion des Solar Sail zum Sonnenwind natürlich verkleinern. Das mindert dann die Kraft. Aber wenn ich ein nicht rotations-symetrisches Segel habe, führt das zur Rotation des Raumschiffs aber doch nicht zu einer Richtungsänderung. Entweder habe ich irgend etwas nicht verstanden oder man kann durch Solar Sails die Richtung der Kraft nicht beeinflussen. Sie wirkt immer von der Sonne radial weg. Wenn mir das jemand erklären könnte, wäre ich echt dankbar.

Gruß
Matjes

Im Weltall gibt es vielleicht kein Wasser, aber es gilt auch keine vergleichbare, einfach vorstellbare Mechanik wie auf der Erde. Es gilt Orbitmechanik. Beispiel: wenn man bremst, wird man schneller, weil der Orbit kleiner wird usw. Vielleicht ist es also doch möglich "gegen den Sonnenwind" zu segeln. Man muss nur im richtigen Moment das Segel hissen.

Angenommen das Segel lenkt die Teilchen des Sonnenwinds um, dann hast du schon auch eine Kraftkomponente von der radialen Richtung weg. Einfach Impulssatz. Teilchen trifft radial auf das Segel mit 45° Anstellwinkel, dann gehen die teilche 90° zur radialen Richtung weg und haben auch eine Kraftkomponente auf ads Segel in diese Richtung

An Kryo

Danke für die tolle Erklärung

Matjes