Alternative Raumantriebe (Teil 8) – Antimaterieantrieb
Jetzt geht es hier mal richtig voran mit der Serie, oder? 
Und jetzt mit dem lange erwarteten Beitrag über Antimaterieantrieb. Danke an Osaka, der mir einiges an Material für den Beitrag lieferte.
Am besten zu Beginn erstmal die physikalischen Grundlagen. Fangen wir am besten damit an:
E = mc²
Ich glaube, das hat jeder schon mal irgendwo gesehen. Es handelt sich um die Masse-Energie-Äquivalenz von Einsteins Allgemeiner Relativitätstheorie. Damit wird ausgedrückt, dass ein direkter Zusammenhang zwischen Masse und Energie besteht. Jeder schimpft über Atomkraft, aber genau das Gesetz gilt dort. Aber nur in ganz kleinem Maße. Wer mehr dazu wissen will, kann sich unter dem Stichwort Massendefekt schlau machen. Im Idealfall kann man Masse komplett in Energie umwandeln. Genau in diesem Moment kommt die Antimaterie ins Spiel. Werden Materie und Antimaterie zusammengebracht, wird sämtliches Materielle vernichtet und es entsteht nur Energie. Diese Vernichtung nennt man Annihilation. Die freigesetzte Energie deckt dabei alles ab, also Wärme, Licht und radioaktive Strahlung.
Wie können wir uns jetzt also Antimaterie vorstellen? Antimaterie ist der Gegensatz zu unserer “normalen” Materie. Wir bestehen ja aus positiv gelandenen Teilchen im Atomkern und negativ geladenen Teilchen, die um den Kern herumschwirren. Die Antimaterie hat die negativ geladenen Teilchen im Atomkern und der wird umkreist von positiv geladenen Teilchen (Positronen). Die Massen der Teilchen lasse ich der Einfachheit halber mal weg
Aber zurück zum Antrieb. Stellen wir uns die Energie mal vor, die dabei frei wird…
| Antriebsart | Freigesetzte Energie |
|---|---|
| Chemischer Antrieb | 1 x 107 Joule / kg |
| Kernspaltung | 8 x 1013 Joule / kg |
| Kernfusion | 3 x 1014 Joule / kg |
| Annihilation | 9 x 1016 Joule / kg |
Was erkennen wir daraus? Es wird mehr als tausendmal so viel Energie freigesetzt, wie bei der Kernspaltung. Wer noch den Beitrag im Kopf hat weiß, dass dort schon das Problem bestand, dass die Beschleunigung viel zu groß für die bemannte Raumfahrt war. Beim Antimaterieantrieb könnte man also wirklich davon ausgehen, dass nicht sehr viel von den Astronauten übrig bleibt.
Aber der Tank dürfte sehr sehr klein ausfallen. Es würde gerade mal 71 Milligramm Antimaterie ausreichen, um die gleiche Treibstoffmenge wie ein Space Shuttle zu haben. Und da wären wir bei einem weiteren Problem des Antriebs – der Tank und die Herstellung. Derzeit wurden im CERN in Genf maximal 50.000 Antiwasserstoffatome hergestellt, was noch weit von den 71 Milligramm entfernt ist. Und wie sollte man Antimaterie auch aufbewahren, wenn sie sich sofort beim Kontakt mit Materie vernichtet? Zur Untersuchung der Antimaterie arbeiten die Wissenschaftler im CERN an einer regelrechten Fabrik zur Herstellung von Antimaterie. Dazu müssen die im Teilchenbeschleuniger hergestellten Antimaterieteilchen abgebremst werden und schließlich in einem Magnetfeld “gefangen” gehalten werden.
Also sind die Aussichten auf einen Antimaterieantrieb derzeit sehr sehr schlecht…
Alternative Raumantriebe (Teil 7) – Nuklearer Detonationsantrieb
Sooo, lange Zeit war es ruhig um das Projekt “Alternative Raumantriebe”, aber jetzt ist es endlich soweit. Ich habe mir jetzt mal Zeit genommen, die Serie fortzusetzen bzw. zu Ende zu führen. Heute Teil 7 : Der nukleare Detonationsantrieb.
Die Idee zu dieser Antriebsmethode entstand 1955 und wurde damals von Stanislaw Ulam und Cornelius Everett entwickelt. Fortgesetzt wurde das Ganze im Projekt Orion, beginnend 1958 über einen Zeitraum von 7 Jahren. Die Idee beim Detonationsantrieb besteht darin, dass Atombomben hinter einem Raumschiff gezündet werden. Nachdem die Bombe das Raumschiff verlassen hat, sollte ihr eine Scheibe von Festtreibstoff folgen, die von der Explosion in heißes Plasma verdampft wird. Das Raumschiff besitzt am Heck eine entsprechend große Fläche, die das sich ausbreitende Plasma zur Abstoßung benutzt und somit antreibt.
Die ursprüngliche Idee wurde dahingehend verändert, dass Bombe und Treibstoff eine Einheit bilden. Als Treibstoff sollte Plastik eingesetzt werden. Plaste hat die Eigenschaft, dass es sehr gut die Neutronen einer Atomexplosion aufnimmt und weiterhin in sehr leichte Elemente, wie z.B. Wasserstoff zerfällt, dessen Atome sich bei großer Hitze sehr schnell bewegen. Mit Hilfe dieses Antrieb wäre es theoretisch möglich gewesen, dass Raumschiff so schnell zu beschleunigen, dass es für den bemannten Raumflug nicht einsetzbar gewesen wäre, weil es durch die Beschleunigung die Insassen vom Andruck förmlich zerquetscht hätte. Die einzige Lösung wäre ein System gewesen, dass sie freigesetzte Energie speichert und später wieder freigibt.
Ein weiteres technisches Problem entstand dadurch, dass die Plasmawolke selbst wenn die Bombe 100 Meter hinter dem Raumschiff gezündet wird, immer noch eine Temperatur von mehreren zehntausend Grad besitzt. Also wurden ausgiebige Tests mit einem Helium-Plasma-Generator durchgeführt. Die ergaben, dass die Hitze nur eine tausendstel Sekunde auftritt und dass nur eine sehr dünne Schicht von der Hitze betroffen ist. So kamen die Entwickler zu dem Entschluss, dass eine aktive Kühlung unnütz ist und Aluminium oder Stahl als Plattenmaterial völlig ausreichend ist. Und tatsächlich startete im November 1959 ein Testmodell mit 6 Zündungen und bewies in einem 100-Meter-Flug, dass eine Aluminiumplatte völlig ausreichend ist.
Natürlich konnte das Projekt nicht lange fortgesetzt werden, da die Umweltschädigung zu enorm war. Weiterhin wollte die NASA nicht atomgetriebenen Raumschiffen den Vorzug geben. Außerdem war die Mehrzahl der Ingenieure bei der NASA ohnehin auf chemische Antriebe spezialisiert. Nachdem 1963 durch den internationalen Vertragsabschluss überirdische Atombombenzündungen illegal wurden, hatte sich das Projekt ohnehin erledigt.
Rückblick aufs Wochenende
Freitag früh fiel 6:30 Uhr der Startschuss. Wir bestiegen den Bus und fuhren nach Berlin. Man glaubt garnicht, wie langsam Bus fahren auf der Autobahn sein kann. Und als wir endlich den Berliner Ring erreichten und kurz vor dem Ziel standen, entschloss sich der Busfahrer, Pause anzuordnen, damit wir uns mit dem anderen Bus treffen können.
Nach einer halben Stunde ging es weiter und wir fuhren nach Charlottenburg, um dort mit einer Fähre eine Spreerundfahrt zu machen. Es ging vorbei am Reichstag, am ehemaligen Palast der Republik, an der Museumsinsel, bis wir bei den Molecule Man wendeten und wieder zurück fuhren. Friedrichstraße stiegen wir dann aus und hatten bis 17 Uhr Freizeit. Wir nutzten die Gelegenheit, um die Ausstellung anlässlich des Einsteinjahres im Kronprinzenpalais zu besuchen.
Die Ausstellung war sehr gut gemacht. Im Erdgeschoss wurden die Grundlagen vorgestellt, die zur Zeit von Einsteins Relativitätstheorie existierten, in der ersten Etage wurden die Probleme, die in der Physik existieren vorgestellt bzw. wie Einstein sie löste. Letztendlich im dritten Stock wurde der aktuelle Stand von der praktischen Überprüfung seiner Theorien vorgestellt. Gleichzeitig aber die Widersprüche mit denen Albert Einstein zu kämpfen hatte. So zum Beispiel die Quantentheorie, die er zu widerlegen suchte. Dazu entwickelte er Gedankenexperimente, die auf gesundem Menschenverstand basierten. Eines davon entwickelte Einstein mit seinen beiden Studenten Podolsky und Rosen.
Bei diesem Experiment werden 2 verschränkte Photonen erzeugte. Verschränkt bedeutet in dem Fall, dass sobald die Polarisation des einen Photons festgelegt wird, auch die Polarisation des anderen Photons feststeht. Gemäß der Quantentheorie ist die Polarisation unbestimmt, solange sie nicht gemessen wird (Stichwort: Schrödingers Katze) Damit würde bedeuten, sobald ich zwei verschränkte Photonen erzeuge, diese in unterschiedliche Richtungen leite und die Polarisation eines Photons festlege, wird automatisch auch die Polarisation des anderen Photons festgelegt (theoretisch egal wo im Universum es sich befindet). Bevor jetzt die Fantasie des einen oder anderen aufblüht – nein, Informationen lassen sich damit nicht in Überlichtgeschwindigkeit übertragen – schließlich müssen ja die Teilchen irgendwo herkommen.
Genutzt werden kann dieser Effekt zur Quantenkryptographie, also Verschlüsselung – ziemlich effektiv, da kein Angreifer die Möglichkeit hätte, die Information zu lesen, den in dem Moment, wo er die Polarisation anfragen würde, wäre sie für das Photon und seinen Partner festgelegt. Aber zurück zum Tag…
Mit qualmenden Köpfen verließen wir die Ausstellung und gingen noch mal zum Checkpoint Charly. Von dort aus ging es zurück zum Bus und dann wieder heimwärts. Je näher ich Dresden kam, desto nervöser wurde ich. Etwas beschränkter Platz im Bus und kühler Luftzug im Nacken sorgten zusätzlich für ziemlich heftige Kopfschmerzen. Am Auto angekommen, machte ich mich sofort auf den Weg nach Nürnberg, wo mein Liebling mich wartete.
Bis Nürnberg war die Strecke einfach und leicht überschaubar. Was danach folgte, war entweder ein zu kompliziertes Nürnberger Autobahnsystem, persönliche Dummheit oder miserable Angaben aus den Routenplanern – oder eine Mischung von allem. Nachdem ich 22:45 kurz vor Nürnberg stand, war ich froh zwei Stunden später meinen Liebling in meine Arme nehmen zu können.
Wie immer verging die Zeit viel zu schnell, aber wir haben es dennoch geschafft, uns mit Osaka zu treffen und einen schönen Nachmittag mit einander zu verbringen. Und Montag morgen hieß es wieder Abschied nehmen und gen Heimat zu fahren. Wenn ich überhaupt etwas genießen konnte, war es die Fahrt gen Osten – in die Sonne hinein…
Und wieder sind es 10 Tage die mich von meinem Liebling trennen…
Liebling – was ich dir noch unbedingt sagen möchte: .. / .-.. — …- . / -.– — ..-
Sendung mit der Maus Stimme Das war Morsecode… Ich sag’s dir auch gern nochmal in deutsch Liebling: Ich liebe dich :-*
Einstein, die Zweite
Einstein tauchte bei mir heute schon mal auf und soll es jetzt schon wieder tun. heise berichtete letztens, dass ein Student an der Universität Leiden ein Manuskript mit dem Titel “Quantentheorie des einatomigen idealen Gases – Zweite Abhandlung” fand. Wie sich beim googeln herausstellte, hatte der Student eine originale Arbeit von Einstein gefunden.
Darin beschrieben ist die Bose-Einstein-Kondensation, die 1995 erst nachgewiesen wurde und wo zu Beginn dieses Jahrtausends die daran forschenden Wissenschaftler den Nobelpreis erhielten. Eingescannte Bilder der Arbeit kann man beim Lorentz-Institut der Leidener Universität bewundern.
Fliegende Lichtsalamis
Gestern abend war ich im Max-Planck-Institut für Physik komplexer Systeme um dem Vortrag Die Kraft des Lichts von Prof. Dr. Roland Sauerbrey beizuwohnen.
Zu Beginn erläuterte Professor Sauerbrey wie man eine hohe Intensität erreicht. Intensität ist Energie pro Fläche pro Zeit. Um also eine hohe Intensität zu erreichen, schraubt man entweder die Energie hoch oder man setzt das Zeitintervall unheimlich klein. So klein, das man einen Laserimpuls über eine Zeit von ca. 100 Femtosekunden aussendet. Der Laser hat dabei einen Durchmesser von 10 cm. Um sich das bildlich vorzustellen, stellt man sich vor, wie das Licht aus dem Laser mit Lichtgeschwindigkeit austritt. Wenn man die Länge des Lasers messen würde, käme man auf ungefähr Haaresbreite.
Weiter ging die Vorstellung mit der Größenordnung der Intensität. 10 hoch 20 Watt pro cm² erreichen die Hochintensitätslaser heutzutage. Um sich davon eine Vorstellung zu bilden, muss man sich eine Linse mit dem Erddurchmesser vorstellen, die das gesamte Licht, das die Erde trifft aufnimmt und auf einen Punkt von 0,1 mm² bündelt. In diesem Punkt wird diese Intensität erreicht.
Was fängt man nun mit so einem Hochintensitätslaser an. Zum einen kann man durch das entstehende Feld Elektronen beschleunigen. Oder Isotope für medizinische Zwecke herstellen, zum Beispiel für die Positronen-Emissions-Tomographie. Oder um Kernfusion oder Kernreaktion labortechnisch zu untersuchen. Oder um die Zusammensetzung der Atmosphäre zu untersuchen. Dazu schießt man mit dem Laser einfach mal gen Himmel (siehe Flyer) und mißt mit Hilfe eines Spektrographen die vorhanden Elemente aus.
Zwei Themen waren aber für mich von besonderem Interesse. Ein Thema begann der Professor mit dem Satz “Wer immer noch denkt mit Windmühlen könne man Strom erzeugen, der irrt”. Gut – so weit ich weiß, werden in Sachsen 10% der benötigten Energie aus Windkrafträdern gewonnen. Aber deswegen habe ich mich doch etwas schwer, an Kernkraft zu glauben. Doch mit dieser Lösung könnte sich meine Meinung ändern. Mit Hilfe von Hochintensitätslasern ist es den Forschern gelungen, das radioaktive Isotop Jod-129 (Halbwertszeit: 15 Millionen Jahre, sammelt sich in der Schilddrüse) in das Edelgas Xenon umzuwandeln, das in der Industrie sehr begeehrt ist (wir alle kennen die doofen Xenonscheinwerfer). Leider gelang das bisher nur im Labormaßstab mit einzelnen Atomen, die 25 Minuten lang gelasert wurden. Also weit von einem praktikablen Einsatz entfernt.
Noch von Interesse war das Vakuum. Populärwissenschaftlich ist ja das Vakuum leer. Nichts drin. Ist aber nicht wahr. Jede Menge Strahlung ist dort zu finden, ganz zu schweigen von Neutrinos und ähnlich schwer nachweisbaren Teilchen. So zum Beispiel die virtuellen Teilchen. Virtuelle Teilchen sind Paare aus Teilchen und Antiteilchen (z.B. Elektron und Positron) die kurz entstehen und sich gleich darauf wieder vernichten. Soweit die aktuelle Theorie. Und theoretisch findet dieser Prozess pausenlos statt. Praktisch könnte man das prüfen wenn man zwei Laser in entgegengesetzter Richtung aufstellt und jeweils auf Schwingung des Elektrons bzw. Positrons abstimmt. Jetzt sollte es gelingen, das Pärchen kurz nach ihrer “Geburt” zu trennen, sodass sie sich nicht sofort wieder vernichten. Im Klartext würde damit folgendes passieren: man erzeugt aus Licht Materie!
Ich fand den Vortrag hochinteressant und ehrlich gesagt war die Stunde so schnell um, dass ich es garnicht bemerkt hab. Auf dem Heimweg hab ich noch einen Flyer für eine Austellung gefunden. Selbstähnlichkeit heißt sie und findet vom 19. August bis 14. Oktober im MPI für Physik komplexer Systeme statt.
Alternative Raumantriebe (Teil 6) – Mikrowellenantrieb
Der Science-Fiction-Autor Robert Forward kam auf die Idee ein Raumschiff zu konstruieren, welches keinen eigenen Antrieb besitzt. Dieses Raumschiff nannte er Starwisp und es basiert auf einen Mikrowellensegel.
Dazu werden von einem solarbetriebenen Satelliten Mikrowellenstrahlen ausgesendet, die dann von einem Netz von sechs km Durchmesser am Raumschiff aufgenommen und in Energie umgewandelt werden. Die Sonde könnte damit 20% der Lichtgeschwindigkeit erreichen. Theoretisch wäre dieser Antrieb realisierbar, wenn man jedoch die Rahmenbedingungen betrachtet, kommt man schnell in den Bereich, wo es nicht machbar erscheint.
Zum einen darf das Netz mit seinem Durchmesser ein Gewicht von gerade mal 28 Gramm auf die Waage bringen. Weiterhin werden Unmengen von Energie für den Satelliten benötigt, um genau zu sein – soviel Energie, wie der Hoover-Damm produziert. Um dies zu erreichen benötigt der Satellit Solarpanelen, die ca. 10 km lang sind. Zwischen Satellit und Starwisp soll dann auch noch eine “Linse” gesetzt werden, die einen Durchmesser von 48.000 km hat, was das vierfache des Erddurchmessers ist.
Alternative Raumantriebe (Teil 5) – Kernspaltungs-/Fusionsantrieb
Star-Trek-Fans aufgepasst – heute geht es um den Fusionsantrieb, auch als Impulsantrieb bezeichnet. Beim Fusionsantrieb werden geladene Teilchen auf nahezu Lichtgeschwindigkeit beschleunigt. Diese Teilchen entstehen als Nebenprodukt von Fusionsreaktoren, die auch gleichzeitig zur Energieversorgung des Raumschiffs verwendet werden können. Je mehr die Teilchen aufgeheizt sind, des größer ist die Austrittsgeschwindigkeit aus der Düse, sodass die Hauptaufgabe des Fusionsreaktors ist, eine möglichst hohe Temperatur zu erreichen. Hohe Temperaturen könnten auch durch Kernspaltung erreicht werden, jedoch sind die Temperaturen dank der höheren Energieausbeute bei der Kernfusion wesentlich höher.
Gerade beim Thema Energieausbeute wird deutlich, wie effektiv dieser Antrieb schon ist. Die Ausbeute liegt weit mehr als 1 Million mal höher als die Verbrennung beim chemischen Antrieb. Nachteilig ist natürlich, das Antrieb und Düse durch die Kernspaltung / Kernfusion enorm hitzebeständig sein müssen. Als bester Treibstoff würde sich Wasserstoff erweisen, da er zum einen die leichteste Substanz ist und auch die schnellsten Teilchen bei der Beschleunigung hervorbringen würde.
Die Möglichkeit des Fusions- / Kernspaltungsantriebes wurde erstmals 1944 von Stanislaw Ulam und Frederick de Hoffman im Rahmen des Manhattan-Projekts durchdacht, dessen Ergebnis ja die erste Atombombe war. Dieses Seitenprojekt wurde als NERVA (Nuclear Engine for Rocket Vehicle Application) 1969 aufgrund der hohen Kosten eingestellt. Geplant aber war, unter anderem diesen Antrieb für einen Flug zum Mars zu verwenden.
Saurons Auge
In 25 Lichtjahren Entfernung befindet sich der Fomalhaut. Hubble hat jetzt um Fomalhaut herum eine Staubscheibe entdeckt, die ständigen Änderungen unterliegt, was die Wissenschaftler vermuten lässt, dass ein Planet Fomalhaut umkreist. Sie sind sich dabei sicher, dass es sich dabei nicht um einen erloschenen Stern handelt, da sie diesen sonst früher entdeckt hätten.
Die Staubscheibe ist vergleichbar mit dem Kuipergürtel, der sich am Rand des Sonnensystems befindet und wo sich Objekte sammelten, die sich in der Zeit der Entstehung des Sonnensystems nicht zu einem Planeten zusammen fügen konnten.
Quelle: [astronews]
Hoffnung gegen Krebs
Auf dem Jahrestreffen der Amerikanischen Gesellschaft für Virologie berichtete Craig Meyers, dass es mit Hilfe eines harmlosen Virus’, das viele Menschen in sich tragen, Krebs zu vernichten. Diese harmlose Virus ist das Adeno-assoziierte Virus vom Typ 2 (AAV2).
Frühere Studien hatten gezeigt, dass Frauen, die mit AAV2 infiziert waren, seltener an Gebärmutterhalskrebs erkrankten. Das menschliche Papillomavirus (HPV) ist an der Krebserkrankung beteiligt. Um sich fortzupflanzen, benötigt das AAV2 einen sogenannten Helfervirus, wie das HPV. Beide Viren verschmelzen dabei zu einer Funktionseinheit, die den Lebenslauf der infizierten Zelle unterbricht und sie dabei abstirbt. Jedoch nicht infizierte Zellen bleiben erhalten.
Die Wissenschaftler um Meyers haben nun festgestellt, dass es auch möglich ist, Tumorzellen mit Hilfe des AAV2 innerhalb von 6 Tagen zu vernichten, ohne dass sie vom Virus befallen sind. Dieser Effekt wurde anhand von Brust-, Gebärmutter- und Prostatakrebszellen nachgewiesen.
Quelle: [Spiegel]
Alternative Raumantriebe (Teil 4) – Sonnensegler
Aus aktuellem Anlass werde ich mal die Serie der alternativen Raumantriebe fortsetzen, sonst geht es hier überhaupt nicht vorwärts.
Also erstmal zum Grundprinzip: 1873 machte Maxwell die Entdeckung, dass von einem Spiegel reflektiertes Licht Druck auf diesen ausübt. Einstein wiederum stellte fest, dass Photonen eine Masse besitzen. Und wenn wir jetzt eins und eins zusammen zählen, haben wir einen Antrieb! Man benötigt eine ausreichend große Reflektionsfläche und eine Lichtquelle. Mit der Sonne haben wir letzteres. Geht man nach einem Astronomieprofessor der New York University müßte das Sonnensegel einen Durchmesser von 300km haben, um zum Alpha Centauri zu gelangen.
Die Vor- und Nachteile liegen klar auf der Hand: Wenn es jemals soetwas wie Weltraumökologie geben sollte, ist dieser Antrieb definitv der Gewinner. Es benutzt vorhanden Quellen ohne sie umzuwandeln o.ä. Der Nachteil: Egal, wo man hin will – dort muss es eine Lichtquelle geben, die das Raumschiff wieder abbremst. Und genau das ist das Problem: Sobald das Raumschiff das Sonnensystem verlassen hätte, wäre die Einwirkung des Lichts von allen Seiten in etwa gleich – sprich irgendwann bleibt das Raumschiff stehen, es sei denn, nach der Beschleunigung werden die Segel eingeklappt und das Raumschiff treibt dahin.
Und damit man das nachweisen kann, wurde die letzten Tage die Sonde “Cosmos 1″ ins All geschickt, die am 25. Juni ihre Segel ausklappen soll, um nachzuweisen, dass ein Druck auf die Segel ausgeübt wird. Wie man schon am Namen erkennen kann, handelt es sich dabei um eine russisch-amerikanische Zusammenarbeit.
Nachtrag 19.07.2010: Die Japaner haben erfolgreich eine Sonde ins All geschossen, die nach dem Prinzip der Solarsegel funktioniert. Dem Artikel von heise.de zufolge war der Erste, der Maxwells Idee vom Druck des Lichts und der Masse der Photonen zusammenbrachte, der Physiker Richard Garwin im Jahre 1958. Der erste Versuch, zu dem ich ursprünglich diesen Artikel schrieb, schlug fehl.
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