Frage: Ist es möglich einen Antrieb zu bauen der ein Raumschiff auf 1/2 c bringt?

Domenik Ehlert Beantwortet am 10 Nov 2021: last edited 10 Nov 2021 6:36 pm

Gute Frage, das wäre schon ganz cool wenn das gehen würde.
Schauen wir mal zuerst wie das von der benötigten Energie her aussieht. Wenn man die richtigen Formeln zur Hand hat (https://www.vcalc.com/wiki/vCalc/Kinetic+Energy+%28Relativistic%29), dann kann man ausrechnen, dass die notwendige Energie um ein Raumschiff mit der Masse eines Autos (~2 Tonnen) bis 1/2 c zu beschleunigen etwa 3*10^13 MJ beträgt. Das ist ungefähr 0.01% so viel Energie wie die Sonne pro Sekunde ausstrahlt, also schon recht viel.
Jetzt muss die Energie natürlich irgendwo her kommen, und da gibt es jetzt viele Möglichkeiten.
1. Klassischer Raketenantrieb: Hier wird einfach ein Raketentreibstoff normal verbrannt und die freiwerdende Energie wird dann verwendet um zu Beschleunigen. Typische Raketentreibstoffe haben eine Energiedichte von ungefähr 10 MJ/kg – wir bräuchten also 3*10^12 kg Treibstoff um unser Auto auf 1/2 c zu beschleunigen. Das scheint nicht sehr praktikabel, zumal man den Treibstoff ja zumindest teilweise mitbeschleunigen muss und deshalb braucht man noch viel mehr Treibstoff.
2. Nuklearer Reaktor: Eine kurze Suche online sagt mir, dass Kernbrennstäbe für Nuklearreaktoren eine Energiedichte von vielleicht so 80 000 000 MJ/kg haben. Damit bräuchte man also etwa 400000 Tonnen spaltbares Material. Immernoch ziemlich viel aber schon eine ganze Ecke realistischer. Natürlich muss man noch irgendein Material mitnehmen das man hinten aus der Rakete mit der ganzen Energie rauspusten kann. Denn die Energie alleine reicht auch nicht, man muss immer Masse in die entgegengesetzte Richtung beschleunigen als in die man will.
Alternativ hatten ein paar verrückte Leute bei der NASA vor einiger Zeit auch mal die Idee statt einen Kernreaktor in das Raumschiff zu bauen einfach in regelmäßigen Abständen Atombomben hinter dem Schiff explodieren zu lassen. Durch die Schockwelle wird das Schiff dann nach vorne beschleunigt. Das Ganze ist bekannt unter dem Namen ‚Orion-Projekt‘.
3. Man nimmt gar keinen Treibstoff mit sondern holt sich die Energie durch Solarpanele während der Beschleunigung. In dem Fall muss man bloß eine geringer Menge Material zum hinten raus-beschleunigen mitbringen und die Effizienz des Antriebs ist dann ziemlich hoch. Das gibt es auch tatsächlich real. Meistens werden dabei die Ausstoßteilchen ionisiert, weshalb man das dann als ‚Ionenantrieb‘ bezeichnet. Der ist zwar sehr effizient aber dafür bekommt man dabei meistens nur sehr wenig Schub. Der Antrieb ist deshalb nur bei sehr kleinen unbemannten Raumsonden sinnvoll.
4. Man verwendet große Sonnensegel und lässt sich durch den Impuls der Photonen des Sonnenlichts langsam beschleunigen. Sowas ist aktuell in der Testphase, und zumindest für Raumsonden mit nur wenigen Kilo Masse kann man mit Sonnensegeln vielleicht auf etwa 0.05% der Lichtgeschwindigkeit beschleunigen. Das würde aber eine Weile dauern.

Insgesamt haben wir aktuell also keine leichte Möglichkeit ein großes Raumschiff auf 1/2 c zu beschleunigen. Der einzige, für uns zur Zeit mögliche, Weg ist vermutlich sogar die Sache mit den Atombomben. In der Zukunft könnte das möglicherweise aber gehen, z.B. wenn wir es schaffen Antimaterie in großem Maßstab auf der Erde zu erzeugen und dann als Raketentreibstoff zu verwenden. Da bräuchte man dann gerade mal 160kg Antimaterie und nochmal dieselbe Menge an normaler Materie um genug Energie zu erzeugen.