Raumfahrt per Lichtsegel

[Erwin_Rockenbauer]

hallo leute

ich habe jetzt schon zwei sience fiction bücher gelesen, in denen interstellare raumfahrt mit lichtsegeln betrieben wird. klar - selbst der ausflug nach alpha centauri dauert so schon ein paar jährchen, aber das haben die autoren schon relativ creativ gelöst.

meine fragen wären aber anderer natur - immerhin werden lichtsegel ja auch in der fachpresse ernsthaft diskutiert:

• welche geschwindigkeiten kann man damit effektiv erreichen? der lichtdruck muss doch im prinzip mit dem quadrat der entfernung abnehmen. dementsprechend muss doch bereits ungefähr um saturn herum der druck relativ schwach sein.
• gibt es eine realistische vorstellung davon, wie die navigation (oder besser: astrogation) mit so einem segel aussieht? kann man mit so einem lichtsegel „kreuzen“, also gegen eine lichtquelle fliegen?
• der lichtdruck ist ja relativ schwach. ist das nicht ein teufelskreis: wenig druck - grösseres segel - mehr gewicht - wieder zuwenig druck - noch grösseres segel etc.
• was ist eigentlich besser geeignet: ein segel, dass „perfekt“ schwarz ist (also alle photonen absorbiert) oder ein segel das reflektiert?

vielen dank für die info

erwin

[DrStupid]

• welche geschwindigkeiten kann man damit effektiv erreichen?

Das hängt von der Masse des Raumschiffs sowie der Masse und Fläche der Segel ab. Ohne entsprechende Vorgaben (die wiederum annahmen über die verfügbaren materialien voraussetzen) kann man das nicht abschätzen.

der lichtdruck muss doch im prinzip mit dem quadrat der
entfernung abnehmen.

Die Gravitation aber auch.

dementsprechend muss doch bereits
ungefähr um saturn herum der druck relativ schwach sein.

Richtig. Die meiste Geschwindigkeit dürfte so ein Schiff wohl im inneren Sonnensystem gewinnen. Vermutlich ist es am besten, das Raumschiff zunächst bis kurz vor die Fluchgeschwindigkeit zu beschleunigen, dann möglichst nahe an der Sonne vorbei zu fallen und im Perihel die Segel für das finale Beschleunigungsmanöver zu setzen. Auf diese Weise müßte sich die maximale Geschwindigkeit erreichen lassen. Die Segel sollten dann noch innerhalb der Heliosphäere wieder eingeholt werden, um nicht vom interstellaren Medium ausgebremst zu werden.

• gibt es eine realistische vorstellung davon, wie die
  navigation (oder besser: astrogation) mit so einem segel
  aussieht? kann man mit so einem lichtsegel „kreuzen“, also
  gegen eine lichtquelle fliegen?

Ja, man kann mit Sonnensegeln kreuzen.

• der lichtdruck ist ja relativ schwach. ist das nicht ein
  teufelskreis: wenig druck - grösseres segel - mehr gewicht -
  wieder zuwenig druck - noch grösseres segel etc.

Der Trick besteht nicht in einer Vergrößerung des Segels, sondern in einer Verringerung der Segelmasse pro Fläche. Man kann heute schon Segel herstellen, die unterhalb der kritischen Masse liegen, bei der der Lichtdruck die Gravitation aufhebt.

• was ist eigentlich besser geeignet: ein segel, dass
  „perfekt“ schwarz ist (also alle photonen absorbiert) oder ein
  segel das reflektiert?

Ein perfekt reflektierendes Segel ist nicht nur effektiver als ein schwarzes sondern bietet auch eine höhere Manövrievfähigkeit, weil die Richtung der Schubkraft variiert werden kann, während ein schwarzes Segel nur in Richtung der einfallenden Strahlung geblasen wird.

[Matthias_Kattelmann_d2a1c6]

erwin

Hallo Erwin
Ich hab auch sowas schon gelesen.
Die Beschreibung der Sonnensegel ist aber im wesentlichen pittoresk und romantisch, weniger technisch effizient.
Wenn ich mir einen Solarkollektor aus Spiegeln und mit modern modifizierter Dampfmaschine vorstelle(statt der Solarzelle mit ihrem niedrigem Wirkungsgrad), und zum Beispiel mit der gewonnenen Energie Partikel beschleunige, wird es doch viel schneller, denke ich.
Die größte Distanz ist auch zwischen den Sternen, und da gibts sowieso kaum Sonne. Hier geht nur noch „Kern“-energie.
Und dann kann man noch erwähnen, das die nächsten Sterne etwa 4 Lichtjahre entfernt sind, also mit sofortiger Lichtgeschwindigkeit ist man dort in 4 Jahren. Die Physiker sagen, Lichtgeschwindigkeit geht nicht, und ich sag mal 10% wär schon ganz schön flott.
MfG
Matthias

[DrStupid]

Wenn ich mir einen Solarkollektor aus Spiegeln und mit modern
modifizierter Dampfmaschine vorstelle(statt der Solarzelle mit
ihrem niedrigem Wirkungsgrad), und zum Beispiel mit der
gewonnenen Energie Partikel beschleunige

Dann ist das ein solarthermisches Triebwerk.

wird es doch viel
schneller, denke ich.

Das Problem hast Du ja schon selbst genannt: Du brauchst Partikel, die Du beschleunigen kannst. Das elegante am Sonnensegel ist ja gerade der fehlende Treibstoff. Das solarthermische Triebwerk mag den größeren Schub liefern, aber durch den Treibstoff wird die daraus resultierende Beschleunigung kleiner und auch die „Brenndauer“ ist begrenzt. Welche von beiden Varianten die größere Endgeschwindigkeit liefert, dürfte vom jeweiligen Design abhängen.

[Erwin_Rockenbauer]

• welche geschwindigkeiten kann man damit effektiv erreichen?

Das hängt von der Masse des Raumschiffs sowie der Masse und
Fläche der Segel ab. Ohne entsprechende Vorgaben (die wiederum
annahmen über die verfügbaren materialien voraussetzen) kann
man das nicht abschätzen.

ist mir schon klar. im prinzip ging es mir darum, ob ich z.b. alpha centauri innerhalt von sagen wir mal 40 jahren erreichen kann - dazu müsste ich im durchschnitt 10 % der lichtgeschwindigkeit erreichen (grob gerundet!). keine ahnung, wieviele tonnen so ein raumschiff haben muss um eine crew von 10 leuten 40 jahre durchfüttern zu können.

der lichtdruck muss doch im prinzip mit dem quadrat der
entfernung abnehmen.

Die Gravitation aber auch.

ja schon, aber die masse nicht. wenn ich weiter beschleunigen will brauche ich zusätzliche kraft.

dementsprechend muss doch bereits
ungefähr um saturn herum der druck relativ schwach sein.

Richtig. Die meiste Geschwindigkeit dürfte so ein Schiff wohl
im inneren Sonnensystem gewinnen. Vermutlich ist es am besten,
das Raumschiff zunächst bis kurz vor die Fluchgeschwindigkeit
zu beschleunigen, dann möglichst nahe an der Sonne vorbei zu
fallen und im Perihel die Segel für das finale
Beschleunigungsmanöver zu setzen. Auf diese Weise müßte sich
die maximale Geschwindigkeit erreichen lassen. Die Segel
sollten dann noch innerhalb der Heliosphäere wieder eingeholt
werden, um nicht vom interstellaren Medium ausgebremst zu
werden.

ok

• gibt es eine realistische vorstellung davon, wie die
  navigation (oder besser: astrogation) mit so einem segel
  aussieht? kann man mit so einem lichtsegel „kreuzen“, also
  gegen eine lichtquelle fliegen?

Ja, man kann mit Sonnensegeln kreuzen.

ok

• der lichtdruck ist ja relativ schwach. ist das nicht ein
  teufelskreis: wenig druck - grösseres segel - mehr gewicht -
  wieder zuwenig druck - noch grösseres segel etc.

Der Trick besteht nicht in einer Vergrößerung des Segels,
sondern in einer Verringerung der Segelmasse pro Fläche. Man
kann heute schon Segel herstellen, die unterhalb der
kritischen Masse liegen, bei der der Lichtdruck die
Gravitation aufhebt.

ist klar - solange die masse pro quadratcentimeter unter dem kritischen wert ist, kann ich das segel beliebig vergrössern - es wird immer zusätzlichen antrieb erzeugen.

• was ist eigentlich besser geeignet: ein segel, dass
  „perfekt“ schwarz ist (also alle photonen absorbiert) oder ein
  segel das reflektiert?

Ein perfekt reflektierendes Segel ist nicht nur effektiver als
ein schwarzes sondern bietet auch eine höhere
Manövrievfähigkeit, weil die Richtung der Schubkraft variiert
werden kann, während ein schwarzes Segel nur in Richtung der
einfallenden Strahlung geblasen wird.

ok

danke für die antworten

lg
erwin

[Alexander_a79f90]

Sonnenwind 400km/s
Also Prinzipiel beruht dieses System auf der ausnutzung des Partikeldrucks der Sonne dem Sogenannten Sonnenwind dieser hat eine durchschnittliche Geschwindigkeit von 400km/s dies stellt also die maximal erreichbar Geschwindigkeit dar! also maximal 0,1% Lichtgeschwndigkeit. Von einer guten Beschleunigung kann hier wie auch bei einem Ionenantrieb aber nicht die Rede sein! Aber dieser Funktioniert ja auch über einen Wesentlich längeren Seitraum und der Sonnenwind ist permanent vorhanden.
Das Problem eines leichten Sonnensegels ist schon lange gelöst und z.B. schon als „eine“ Lösung 1996 auf der ILA Präsentiert worden dort wurden auch Systeme zur Versteifung und Ausbringung dargestellt.
Problem ist auch hier wie immer das Geld für weiter Experimente.
Es gab sogar schon die Idee für einen Moon Race Erde-Mond per Sonnensegel Sonden.

Für eine interstelare Reise ist die Ausnutzung des Sonnenwindes nicht geeignet da er nach wohl nur bis ja 2x Erde-Pluto reicht und wie es mit der Ausnutzung interstelaren Partikelstöme ist kann ich nicht sagen. Und wohl sonst niemand bis keiner Nachschaut.

aber trotzdem könnte dies eine Antriebsform sein welche Energiepsarend sonden etc. an den Rand des Sonnensystems bringen kann.!

Ansonsten erfreut uns der Sonnenwind zumindest weiter als Aurora Borealis.!

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[Anonym_3d6dab860e84]

Hi,

keine ahnung, wieviele tonnen so ein raumschiff haben
muss um eine crew von 10 leuten 40 jahre durchfüttern
zu können.

Da kann dir Bernd Leitenberger helfen:
http://www.bernd-leitenberger.de/flug-zum-mars.shtml

Sinngemäß gilt das auch für andere Missionen. Es sei denn, man entwickelt eine Art „Tiefschlaf“.

mfg Ulrich

[Reinhard_Kern_4bc529]

hallo leute

ich habe jetzt schon zwei sience fiction bücher gelesen, in
denen interstellare raumfahrt mit lichtsegeln betrieben wird.

Hallo Erwin,

da Lichtsegel eben vorwiegend da funktionieren, wo es hell genug ist, sind sie meiner Meinung nach vor allem für die Feinpositionierung von Sonden im sonnennahen Bereich interessant, man käme dann auch mit relativ kleinen Segeln aus. Eine Einrichtung wie das Hubble-Teleskop könnte dann viel länger arbeiten (wenn auch vielleicht langsamer), da für Lagekorrekturen weder Reaktionsmasse noch Treibstoff verbraucht würden.

Besonders interessant wäre es, wenn man das für Fernmeldesatelliten zum Funktionieren bringen würde, deren Lebensdauer ist bisher durch den mitgeführten Treibstoff begrenzt.

Gruss Reinhard

[Erwin_Rockenbauer]

hallo alexander

soweit hab ich mich schon schlau gemacht und weiss, dass der sonnenwind praktisch keinen nennenswerten druck auf das segel ausmacht und daher vernachlässigbar ist. desshalb hab ich ja auch nach dem lichtdruck gefragt…

erwin

[Tom_6036d9]

hallo erwin

yau is richtig . Sonnensegel nutzen in erster Linie den „echten“ Strahlungsdruck aus, und nich den, des Sonnenwindes.

Es gibt jedoch auch eine Methode den Sonnenwind zum Segeln zu benutzen. Dafür benutzt man ein Magnetfeld als „Segel“. Wens dich nähe interessiert google mal unter dme Stichwort M2P2

Grüße, Tom

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[Xanadu]

Ja, man kann mit Sonnensegeln kreuzen.

Hm, wundert mich, dass das gehen soll.

IMHO klappt das doch nur bei Booten, weil die an der Grenze zweier unterschiedlich fester Stoffe schwimmen, Wasser und Luft, und durch den Kiel im Wasser Gegendruck aufbauen können.
Ohne Kiel könnten Sie ebensowenig kreuzen wie Ballone in der Luft.

[Tom_6036d9]

halo Xanadu

Kreuzen von Sonnensegeln funktioniert auch nicht so, wie bei segelbooten. Einfaches Beispiel: (um die einzelnen Manöver genau zu verstehen, woltest du dich mit Himmelsmechanik beschäftigen)

1.Sonnensegel befindet sich auf Kreisförmiger Umlaufbahn. Richtet sich 45° Winkel zur SOnne aus. Dadurch wird der Orbit immer elliptischer und seine große halbachse schrumpft langsam.

2. Ab eine Gewissen Elliptizität kann sich das Sonnensegel genau zur Sonne ausrichten (es flegt jetzt auf die Sonne zu) dabei bremst es ziemlich scchnell ab).

3. Wenn es sein Perigäum erreicht, richtet es sich wieder 45° zur Sonne aus. Dadruch verändert sich seine große Halbachse ein bischen und der Orbit wird wieder Kreisförmiger. tataaa! Das Sonnensegel hat soeben einen niedrigeren Orbit erreicht, als von dem es gestartet ist.

Grüße, Tom

[Bei dieser Antwort wurde das Vollzitat nachträglich automatisiert entfernt]

[Xanadu]

Danke für die Erklärung!