Es funktioniert nicht

Das ist die zusammenfassende Beurteilung zu Projekt Breakthrough, auf die mich ein Blogleser aufmerksam gemacht hat. Der Plan hört sich nach Wikipedia so an: man beschleunigt kleine Nanosonden mit einem riesigen Laser auf einen Bruchteil der Lichtgeschwindigkeit zum nächsten Stern Alpha-Centauri wovon sie dann Daten übertragen.

Der Leser bezweifelte die Umsetzbarkeit dessen. Zu Recht.

Problem Kommunikation

Nimmt man bestehende Kommunikationssysteme (berechnet mit den Daten von New Horizons), dann bräuchte man eine 10 m große Kommunikationsantenne und einen Sender mit 17,5 kW Sendeleistung um mit 1 Bit/s von Alpha Centauri aus zu senden. Das bekommt man mit den Sonden die nicht mal ein Gramm wiegen dürfen nicht gestartet. Optishce Datenübertragung ist auch nicht viel besser, zumindest nicht solange wir als Empfänger nicht Teleskope errichten, die wirklich riesig sind. Zudem geht die Optik, die man dafür braucht bei den Beschleunigungen (siehe unten) kaputt. Selbst wenn – die Sonde durchquert das Sternensystem mit einem Bruchteil der Lichtgeschwindigkeit (0,2 c), also die Entfernung Erde-Sonne z. B. in unter einer Stunde. Da klappen vielleicht noch einige Aufnahmen von Alpha Centauri. Doch sollte es Leben geben, das kann die Sonde nicht ermitteln, dazu huscht ein Planet mit 60.000 km/s an der Sonde vorbei.

Dann gäbe es noch die Problematik wie die Sonde mit Strom versorgt wird. Auf der Reise gibt es ja keine Sonneneinstrahlung. RTG dürften bei dem Gewicht genauso ausscheiden wie große Antennen.

Faktenlage

Soviel zur Frage die mir gestellt wurde, ob man damit Informationen gewinnen kann. Ich habe aber schon grundlegende Zweifel an der Umsetzbarkeit. Einige harte Fakten aus der Wikipedia:

  • Beschleunigung durch 100 GW Laser
  • Gewicht im Bereich von Gramm
  • Zielgeschwindigkeit 60.000 km/s
  • Beschleunigung 10.000 g
  • Beschleunigungsstrecke 2 Millionen km

Plausibilitätsprüfung

Die Beschleunigung kann man bei Kenntnis der Strecke und Endgeschwindigkeit berechnen. Es gilt:

s = ½ * a* t ²

v = a * t

Wenn v = 60.000.000 m/s und s = 2.000.000.000 m gegeben sind, kann man t zu 66,67 s und a zu 900.000 m/s berechnen. Das sind rund 90.000 g

Doch machen wir mal die Gegenprobe.

Die Beschleunigung erfolgt durch Licht. Licht hat keine Masse, aber die Kraft, die es ausübt, kann man als Äquivalenzmasse ausdrücken nach den Gleichungen:

E= ½ m*c²

F= m*c

mit E = 100 GW und c = 299.792.458 m/s kommt man für 100 GW auf 2,225×10-6 kg Äquivalenzmasse und einen Schub von 667,1 N.

Um mit 667,1 N eine Beschleunigung von 900.000 m/s zu erreichen so kommt man

a = F /m

auf eine Masse von 0,741 g

Der Artikel spricht von einigen Gramm, doch mit dem Equipment könnte man maximal 0,74 g beschleunigen. In Wirklichkeit wird es aber weniger sein, weil ich hier relativistische Effekte außen vor gelassen habe. Bei Annäherung an die Lichtgeschwindigkeit braucht man sukzessive immer mehr Energie zur Beschleunigung. Der Fehler ist bei einem Fünftel der Lichtgeschwindigkeit aber klein.

Problem Energieübertragung

Normale Solarsegel die wir heute haben erreichen Flächendichten von 5 g/m². 0,741 g wären dann nicht mal 0,15 m² groß. Theoretisch postuliert, aber nicht technisch umgesetzt, wäre es einen Kunststoff mit Aluminium zu beschichten. Der Kunststoff würde dann abgetragen werden und die nur Mikrometer dicke Schicht aus Aluminium bleibt übrig. Wie man die heil ins Weltall bringt ist heute noch ungelöst. Theoretisch könnte man einen Kunststoff nehmen der sich durch Licht zersetzt und ihn dann durch die solare UV-Strahlung abtragen lassen. Dann käme man auf ein Flächengewicht von 0,27 g/m². Das Segel wäre dann 2,75 m² groß.

Auf diese Fläche treffen dann 100 GW Leistung pro Sekunde, das ist die 1.600-fache Energie welche die Sonnenoberfläche auf der gleichen Fläche abgibt. Aluminium hat bis zu 95% Reflexionsgrad. Die Fläche nimmt pro Sekunde also 5 GW an Leistung auf. Das dürfte mühelos ausreichen sie in Sekundenbruchteilen verdampfen zu lassen. Bei einer Demonstration für SDI konnte ein 2 MW MIRACL-II Laser eine blankpolierte Titan II Hülle innerhalb von Sekundenbruchteilen zum Bersten bringen und hier reden wir von der 50.000 fachen Energie. Pro Sekunde werden 5 GW von weniger als 1 g Materie aufgenommen. Bei Kernspaltung von Uran wird 204 MeV pro Kern frei. Umgerechnet auf normale Energie ist das bei Atommasse 235 8,12×1010 W/g. In 16 s wird dem Bruchstück so viel Energie übertragen, wie es freisetzen würde wenn es der Kern einer Atombombe wäre! Und es soll viermal länger beschleunigt werden.

Problem Fokussierung

Es ist meiner Ansicht nach schon zweifelhaft, ob man die Energie so fokussieren kann. Der Mond ist 380.000 km entfernt und wird seit Jahrzehnten von Lasern angepeilt die Laserreflektoren von bemannten und unbemannten Missionen nutzen um die Entfernung Erde-Mond zu bestimmen. Beim LLR ist die ausgeleuchtete Fläche schon 70 km². Hier kann zwar der Startpunkt nahe der Erde liegen, doch der Endpunkt soll ja 2 Millionen km entfernt sein, also siebenmal weiter als der Mond entfernt. Man muss dann aber nicht auf 70.000.000 m² sondern 0,15 bis 2,75 m² fokussieren. Wie das gehen soll würde mich interessieren, zumal es nicht ein Laser sein soll, sondern viele. Denn 100 GW Laser bekommt man nicht realisiert. Es zählt ja nicht die Spitzenleistung eines Impulses (da kann man 100 GW durchaus erreichen), sondern die Dauerleistung. Man bräuchte dafür also 100 Kraftwerke à 1 GW. Daher wird man sehr viele Laser einsetzen. Der Mircal-II Laser, ein chemischer Laser lieferte 1 MW über 70 s. Davon bräuchte man dann 100.000 Stück. Die alle müssten auf eine Fläche unter 1 m² in bis zu 2 Millionen km Entfernung zielen – ich kenne Nichts womit man ein Teleskop, auf das der Laser ja seine Impulse wirft – so genau ausrichten kann. Das Keck Teleskop kann auf 4 Bogensekunden ausgerichtet werden. 1 m in 2 Millionen km Entfernung sind aber 0,0001 Bogensekunden – 40.000-mal genauer.

Zusammenfassung

Es klappt aus vielen Gründen nicht. Man bekommt in dem Gewicht weder die Ausrüstung unter noch würde sie die Beschleunigung überleben. Man kann Laserlicht nicht so gut auf eine kleine Fläche fokussieren und bündeln das man effektiv beschleunigen kann. Ob man so viele Laser jemals finanzieren kann, ist eine andere Frage und zuletzt dürfte schon nach einem Bruchteil einer Sekunde nichts mehr zum Beschleunigen da sein, weil die Energie ausreicht alles zu verdampfen. Selbst wenn – Daten von Alpha Centauri könnte man keine übertragen und damit man Forschung dort betreiben kann müsste man ja dort wieder abbremsen.

21 thoughts on “Es funktioniert nicht

  1. Ach Bernd…

    und wieder ein Traum durch harte Fakten zerstört…
    jetzt hilft nur noch Kernfusion oder Antimaterie…

    Oder UFOs, die haben ja offensichtlich unsere Physikerkenntnisse völlig ignoriert, als sie hier landeten 😉
    (Ob das die UFO-Piloten gewußt haben?)

    Wieder nix mit interstellarer Raumfahrt!

    Ralf mit Z

  2. Der Autor sollte aber wenigstens diese Macher informieren das die Arbeit vergebene Mühe ist. Gut das es wenigstens jemanden gibt der über Dinge fundiert nachdenkt.

  3. Warum sollte Bernd den Koryphäen wie Hawkins (als Ankündiger) und Dyson als Teilnehmer Physik erklären, die sollten es doch wissen…

    Wir müssen also doch auf Cochrane und die Vulkanier warten, wenn die Borgs uns nicht wieder in die Warp-Sup… äh Blase spucken!

    Scify-Fan
    Ralf mit Z

  4. Es gibt keine ideale reflexion oder Transparenz.

    Ein LWL welches 10kW zur Materialbearbeitung überträg muss man kühlen um die Abwärme wegzuschaffen. Auch die Spiegel heizen sich auf.
    Der Grad der Reflexion bzw der Transparenz ist eine temperaturabhängige Eigenschaft des Stoffes.

  5. Der gute man hat von Musk gelernt. Die Präsentation lebt von dem Musk-Konzept „Alles ist möglich, wenn man nur die richtigen Zahlen hat“. Ab S.19 wirds spannend. Also während er auf etwa die gleiche Größe beim segel kommt umgeht er einfach das Problem das selbst die besten reflektierenden Materialen die wir haben noch 2 % der Energie aufnehmen einfach indem er den Reflexionsgrad von 0,95 auf 0,99995 erhöht. Das es kein Material mit den Eigenschaften gibt – wen juckts?
    Und die Fläche bekommt man auch genügend klein wenn man nur den Lader größer macht. Also wenn der Laser einen Durchmesser von 1 km hat (wohlgemerkt ein einzelner Laser, keine Stadt oder Array) dann klappt das auch mit dem Fokussieren. Wie er den Spiegel von 1 km Durchmesser aber auf 1 m genau in 2 Millionen km Entfernung ausreichten will, steht immer noch nicht drin. Vor allem wenn sich das Segel bewegt wird das echt lustig.

  6. Das Konzept an sich funktioniert zwar trotzdem nicht, aber fairerweise sollte man erwähnen : https://en.wikipedia.org/wiki/Dielectric_mirror

    Reflexionsgrad von 99.999 % für ein schmales Freuquenzband (Laser) sind möglich.
    Ob das ganze dann noch so leicht wird wie das Segel sein soll, und ob das ganze bei den Energiedichten noch funktioniert….

    Abgesehen von all dem anderen was nicht funktioniert…

  7. @Luk
    Wikipedia schweigt sich leider aus ob das auch bei einem flexiblen Sonnensegel möglich ist oder nur bei starren Körpern wie sie Spiegel in der Optik sind. Ich bin daher von üblichen aufgedampften Beschichtungen ausgegangen. Ob man ein Segel so beschichten kann steht da nicht genauso ob bei einem gewellten Segel (das ist der Normalfall) die hohe Reflexionsfähigkeit erhalten bleibt.

  8. Ich erinnere mich noch gut an Bernds Aussage: „Ne, also wirklich ….“ bezüglich der von SpaceX geplanten Landungen der Falcon-9-Erststufe. Hier zum Nachlesen:
    https://www.bernd-leitenberger.de/blog/2011/10/02/ne-also-wirklich/
    Zitate: „Diese Firma wirft ja nur so mit Steilvorlagen für Kritiker um sich.“, „Trotzdem gibt es immer verrücktere Ankündigungen,“, „Mit jeder neuen Ankündigung nimmt mein Respekt vor SpaceX ab.“

    Am Ende stellte sich dann heraus, dass Bernd das Konzept, mit dem SpaceX landen will, falsch verstanden hatte, weil die per „suicide burn“ so spät wie möglich zünden und dann genau in dem Sekundenbruchteil das Triebwerk abschalten, wo sie die Oberfläche erreichen. Stattdessen schrieb Bernd: „Dazu kommt noch Treibstoff um zu schweben ….“ Nee, da schwebt nichts. Landet aber trotzdem, dieses Jahr bereits 13 mal, nächstes Jahr, wenn wieder drei Startrampen in Betrieb sind, wahrscheinlich noch öfter.

    Und die Liste der Fehleinschätzungen geht weiter: https://www.bernd-leitenberger.de/blog/2015/01/09/spassx-nachlese-und-vorrausblick/ . Dort steht: „Auch wenn Elon Musk offensichtlich sich mehr nach „badass“ orientiert als nach ökonomischen Gesichtspunkten wird er wohl bald einsehen dass es ziemlich dämlich ist eine Rakete mit eigenem Treibstoff zurück zum Startplatz zu lenken“… Nun ja, SpaceX tut es bis heute, dass sie unter Antrieb zum Startplatz zurückfliegen, wenn die Reserven dafür reichen, und sie werden es wahrscheinlich auch künftig so machen, denn beim Rückflug zum Startplatz ist die Landung sicherer.

    Und nein, dass von den ca. 150 Triebwerken, die SpaceX dieses Jahr produziert hat, jetzt eines auf einem Teststand explodiert ist, heißt nicht, dass die Firma generell ein Problem hat oder gar die Welt untergeht.

    Zu Projekt Breakthrough: Was die machen wollen, ist extrem, und ob es klappt, steht tatsächlich in den Sternen. Aber sie untersuchen dafür reale Technologie, und die kann uns vielleicht schon in einigen Jahren zumindest bei „normalen“ Planetenmissionen helfen. Wäre ja schon schön, immer mal wieder ein aktuelles Bild von Uranus oder Neptun samt deren Monden zu erhalten.

    Zunächst einmal: Man braucht keine 99,9999% Reflektionsgrad für das Sonnensegel, selbst 99,9% sollten schon reichen. Entscheidend ist vielmehr, dass die verbleibenden 0,1% des Antriebslichts transmittieren, also nicht absorbiert werden. Das hängt nun vom Material des Sonnensegels ab.

    Statt per normalem Funk (wie von Bernd vorgerechnet) soll die Kommunikation per Laserlink erfolgen. Dazu soll das Sonnensegel als „Richtantenne“ dienen.

    Wenn ich folgendes NASA-Dokument richtig verstehe:
    https://www.nasa.gov/sites/default/files/atoms/files/07_aerospace_corp_small_satellite_laser_communications_0.pdf
    ist mit einem 4-Watt-Laser und 10cm (Durchmesser) großem Sender und Empfänger eine Kommunikation über 40.000 km Entfernung möglich. Und zwar bei ausreichend genauer Ausrichtung des Satelliten mit 1 Gbit/s!

    Für die „breakthrough initiative“ hätten wir hingegen 2,5 m Durchmesser beim Sonnensegel-Sender und 100 m Durchmesser (mindestens) beim Empfänger, der zweckmäßigerweise im Weltraum aufgebaut wird. Also Faktor 25 beim Sender und Faktor 10000 beim Empfänger. Allerdings ist die Entfernung halt nicht 40.000 km, sondern 4,2 Lichtjahre, entsprechend 40.000 km x 10^9. Aber das ist kein Drama: Sender und Empfänger sind zusammen um den Faktor 250.000 besser als bei der vorgenannten optischen „Nah“kommunikation, und 10^9 / 250.000 = 4000. Also ist das empfangene Signal um 1 / 4000^2 schwächer, und entsprechend beträgt die Bitrate dann 1 Gbit/s / 4.000^2 = 62,5 bit/s. Das ist zwar noch deutlich schlechter als bei New Horizons (2000 bit/s), aber hey, mehr als ein „wackliges Handy-Foto“ werden wir eh nicht kriegen, wenn die Mikrosonde mit 0,2 c an einem Planeten vorbeirauscht…

    Es ist richtig, dass die „breakthrough initiative“ wirklich überall extrem an die Grenzen des Machbaren gehen will. Wenn man sich aber mit den Details auf deren Website etwas auseinandersetzt, sieht man schnell, dass das, was die machen wollen, grundsätzlich physikalisch möglich ist. Am meisten Sorgen habe ich derzeit, dass das Solarsegel zerreißen wird, weil es die Kräfte nicht zum Hauptchip übertragen kann. Wenn man aber nicht einen großen „Hauptchip“ hat, sondern die ganzen Funktionen (rechnen, Bilder aufnehmen, Laser senden) auf ein „Spinnennetz“ verteilt, das beim Start mit dem Segel verbunden ist, und später von diesem getrennt ist, könnte es klappen.

    Das Segel hat insgesamt vier Funktionen:
    * Segel
    * Solarpanel
    * Reflektor für die Kamera
    * Reflektor für die Laserkommunikation

  9. Danke Kai.
    Es freut mich wenn Du mich so toll bestätigst. Wenn Du nämlich den ganzen Artikel gelesen hättest anstatt einen Absatz, dann würde Dir im ersten auch auffallen das ich 2,6 t Nutzlastverlust bei Bergung der ersten Stufe errechnet habe, bei damals 16 t Nutzlast (ändert sich bei SpaceX ja dauernd). Das 16,4 % und damit ziemlich nah an dem was wir derzeit bei Seelandungen an Nutzlastverlust haben (bei GTO rund 17,3 %). Also ich nenne das Punktlandung. Der Grund: Nur weil SpaceX am Schluss einen Impuls macht ändert das an der Grundproblematik nichts, dieses letzte Schubmanöver macht nru einen kleinen Anteil an der Gesamtenergie aus.
    Und schau mal aufs Datum: 2011, lange vor den ersten Versuchen!
    Wow bin ich gut!
    Beim zweiten Artikel sieht es auch gut aus.Prognose für 2015: 12 Starts pro Jahr. Erfolgt: 7. Ja es ist eine explodiert. Das kann ich aber nicht als Ausrede nehmen. Hat die Rakete doch nach SpaceX Angaben viel höhere Zuverlässigkeiten als die ganze Konkurrenz.
    Auch an der Berurteilung das es ökonomischer Unsinn ist zum Startplatz zurückzufliegen ändert das nichts. Das wird eigentlich nur gemacht wenn es eine viel zu kleine Nutzlast auf SSO ist. Gerade hat die NASA wieder so einen Nonsensstart gebucht. Dabei hätte der Satellit weil es eine gemeinsame Entwicklung mit Europa ist auch für einen Drittel des Preises auf einer Vega fliegen können. Spacex führt das ja auch nicht dauernd durch, was der Fall wäre wenn es ökonomisch sinnvoll wäre.
    Ach ja und wenn ich überall wo was heute nicht möglich ist einfach sage, „wir müssen die Leistungsfähigkeit nur um den faktor 250.000 steigern“ dann bin ich auf Musk Niveau. Dann kostet ein Ariane Start unter 1000 Euro, der Satellit dazu nochmals 1000 Euro und jeder startet seinen eigenen Kommunikationssateliten ins all. Noch besser. Ein neues Haus gibts für 2 Euro, einen Porsche für 40 ct. Ist das nicht eine tolle Welt?

  10. Komischerweise fehlen auf der angegebenen Webseite in diesem Jahr die Starts von anderen US-Firmen. Glaube keine Statistik, die du nicht selbst gefälscht hast.

  11. Esc ist doch erstaunlich – man schreibt nichts über SpaceX. es gibt genügend SpaceX-Artikel auf denen man die Kommentare hinterlassen kann, aber das scheint wohl nicht zu genügen.

    In der Wikipedia-Übersicht fehlt komplett die obigen Zahlen die Jonny angegeben hat. Das ist auch mehr ein Fall von Statistiken. Was zähle ich? Starts? Satelliten? dann liegt SpaceX vorne oder Umsätze (ein Ariane 5 Start generiert den dreifachen Umsatz von drei Falcon 9 Starts). Es gab 5 Ariane % Starts (je 170 Millionen Euro), zwei Sojus (70 Millionen) und einen kommerziellen Vega Start (32 Millionen, ein weiterer war nicht kommerziell) macht bis jetzt 1022 Millionen Euro Umsatz und 11 kommerzielle Starts der Falcon 9 (Rest: US-Regierungsnutzlasten) zu 61,8 Millionen Dollar macht 679,8 Millionen Dollar, bei Abstrichen bei schon geflogenen Erststufen eher weniger.

    Also wie Jonny auf die Aussage kommt ist mir ein Rätsel.

  12. Durch die Wiederverwendung von Erststufen hat es Spacex dieses Jahr endlich mal geschafft, den durch jahrelange Verzögerungen entstandenen Aufrtagsberg etwas abzubauen. Wie lange das anhält ist eine ganz andere Frage. Noch ist keine einzige Stufe mehr als einmal wiederverwendet worden. Es ist also noch völlig offen, wie oft sie einsetzbar sind. Gerade das ist aber der entscheidende Faktor, ob sich das Ganze überhaupt lohnt.
    Für mich unbegreiflich sind die riesigen Probleme, die Spacex mit der Stufenbündelung bei der F9H hat. Bündelung von Stufen mit flüssigem Treibstoff hatten die Russen schon seit Sputnik 1 in Griff. Auch bei der Ariane 4 und der Delta 4 Heavy ging das reibungslos. Selbst bei den Indern und Chinesen klappt das. Nur Supermann tut sich damit schwer.

  13. Sie haben natürlich völlig Recht Herr Leitenberger das diese Statistik überhaupt nichts aussagt. 😀

    > Noch ist keine einzige Stufe mehr als einmal wiederverwendet worden. Es ist also noch völlig offen, wie oft sie einsetzbar sind. Gerade das ist aber der entscheidende Faktor, ob sich das Ganze überhaupt lohnt.

    Natürlich arbeiten die vielen Angestellten bei SpaceX an einem Projekt ohne wirklich etwas davon zu verstehen. Niemand wird in der Lage dort sein dort abzuschätzen ob die Richtung ungefähr stimmt. Da man bisher bei SpaceX in der Vergangenheit kaum Entwicklungen gemacht, ist da nicht viel zu erwarten.

    >Für mich unbegreiflich sind die riesigen Probleme, die Spacex mit der Stufenbündelung bei der F9H hat. Bündelung von Stufen mit flüssigem Treibstoff hatten die Russen schon seit Sputnik 1 in Griff. Auch bei der Ariane 4 und der Delta 4 Heavy ging das reibungslos. Selbst bei den Indern und Chinesen klappt das. Nur Supermann tut sich damit schwer.

    Wie ich bereits oben schrieb, fehlen einfach bei SpaceX richtig gute Leute die so etwas einfach können. Wenn Superman hier mitliest, wird er sicher Angebote an die entsprechenden Personen verschicken.

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