AstroGeo Podcast: Sonnensegel

Der Wind bläht die Segel und das Schiff nimmt Fahrt auf, neuen Abenteuern entgegen. Eine solche Reise ist auch im All möglich: Mit Segeln ließen sich nach dem Raketenstart Planeten, Asteroiden oder Kometen ganz ohne Treibstoff erreichen. Es sind sogar ganz andersartige Umlaufbahnen möglich.

Noch aber steht die Technologie am Anfang: Seit 2019 segelt LightSail-2 um die Erde, langsam übernimmt auch die NASA die Technologie. In dieser Episode geht es um den aktuellen Stand der Sonnensegel: Wir haben mit Expertinnen und Experten gesprochen, was die Planer noch davon abhält, im All Segel zu setzen – und warum manche diesen Schritt mittlerweile wagen.

In dieser Folge kommen zu Wort: Bruce Betts (Planetary Society), Jeanette Heiligers (TU Delft), Roman Kezerashvili (City University New York), Tom Sproewitz (DLR Bremen), Les Johnson (NASA).

Lektorat: Felicitas Mokler
Titelbild:
NASA

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Karl Urban wäre gern zu den Sternen geflogen. Stattdessen gründete er 2001 das Weltraumportal Raumfahrer.net und fühlt sich im Netz seitdem sehr wohl. Er studierte Geowissenschaften und schreibt für Online-, Hörfunk- und Print-Publikationen. Nebenbei podcastet und bloggt er.

41 Kommentare

  1. Die Idee, die Energie der Sonne zu nutzen ist gut.
    Praktisch sind dem aber Grenzen gesetzt. Solarzellen altern. Bei uns können sie nach 15 Jahren abgeschrieben werden. Im Weltall geht das nicht.
    Es wäre naheliegender, jeden Neubau mit Solarzellen zu bestücken.
    Dann könnten aber die Energiekonzerne kein Geld mehr verdienen.

  2. Eine mit Solarsegeln bestückte Raumsonde, die zuerst Kurs auf die Sonne nimmt und dann ganz sonnenah (näher an der Sonne als die Parker Solar Probe) um die Sonne herumschwenkt um dann in die Tiefen des Weltraums abzurauschen könnte so ferne Ziele wie den Ort wo der Fokus der Gravitationslinse Sonne liegt (ungefähr 500 astronomische Einheiten von uns entfernt) in wenigen Jahren erreichen.

    Solarsegel sind also vielversprechend. Leider geht es aber bei ihrer praktischen Erprobung nur sehr langsam vorwärts.

  3. Karl Urban,
    die Verwendung von Solaranlagen auf der Erde sollten an die begrenzte Lebensdauer im All erinnern. Die ist wahrscheinlich durch die höhere Strahlenbelastung noch geringer als auf der Erde.
    Martin Holzherr
    500 AE sind 7,5 mal 10 hoch 10 km.
    Nehmen wir an die Sonde fliegt mit 40 x 10 hoch 3 km /h
    Dann braucht sie etwa 214 Jahre. Das hält keine Solarzelle aus.

    • @hwied (Zitat): Nehmen wir an die Sonde fliegt mit 40 x 10 hoch 3 km /h
      Dann braucht sie etwa 214 Jahre. Das hält keine Solarzelle aus.

      Antwort: Sonnensegel sind nicht aus Solarzellen aufgebaut, sondern lediglich aus einer extrem dünnen reflektierenden Schicht. Wenn ein solcher Solarsegler einmal weit von der Sonne entfernt ist, dann nützt das Segel nichts mehr, weil die Sonne dort zu wenig scheint. Aber die grosse Anfangsgeschwindigkeit die die Sonde in der Sonnennähe erhalten hat, genügt um weiterhin grosse Distanzen pro Zeiteinheit zurückzulegen, den im Weltraum gibt es ja keine bremsende Kraft (ausser die Gravitationskraft der Sonne).

      Beurteilung: sie haben wohl hier zum ersten Mal von Sonnensegeln gehört und wohl angenommen, das müsse etwas sein, was sie schon kennen.

  4. Martin Holzherr
    Aha, das war ein Missverständnis, wir segeln also mit dem Sonnenwind.
    Eine Berechnung wäre sinnvoll. Es beginnt also mit einem Swing-Bye-Manöver an der Sonne und dann immer weiter. nicht schlecht.
    Trotzdem ist die Elektronik einer Alterung ausgesetzt. Die Idee hat etwas Romantisches.

    • hwied: Nein, ein Sonnensegel segelt nicht mit dem Sonnenwind, sondern mit dem Druck des Sonnenlichts (Photonendruck). Wenn Sie hier mitdiskutieren wollen, hören Sie doch bitte zuerst die Podcastfolge an.

  5. Herr Urban,
    erst einmal einen Dank für das wirklich Interessante Thema.
    Dass Sonnenlicht selbst als Antrieb zu verwenden, also den Impuls des Lichtes, das ist verführerisch.
    Um das Ganze etwas realer zu sehen, mir fehlen Zahlen. Wie groß ist die Kraft des Sonnenlichtes in der Nähe der Erdbahn bezogen auf 1 m².
    Dann könnte man errechnen, wie groß die Kraft ist in Sonnennähe.Es braucht nicht viel Mathematik um die Flugzeiten zu errechenen. Man braucht dazu die Masse der Sonde inklusive Segel.,die Kraft, eine Formel für das Integral, fertig.
    Wenn Sie da nähere Informationen hätten, dann wird das Thema greifbar.

    Für Dummies, es gibt die sogenannten Lichtmühlen die sich im Sonnenlicht drehen. Das wäre eine andere Konstruktionsart, weil hier das Sonnenlicht nur indirekt die Kraft für die Drehung liefert.

    • @hwied (Zitat): “ Um das Ganze etwas realer zu sehen, mir fehlen Zahlen. Wie groß ist die Kraft des Sonnenlichtes in der Nähe der Erdbahn bezogen auf 1 m².“
      Das steht alles in der Wikipedia unter dem Eintrag Sonnensegel (Raumfahrt)(Zitat):

      Beim Sonnensegel soll der Strahlungsdruck der Sonne als Antriebsquelle genutzt werden. Mit der Solarkonstanten von 1,367 kW/m² (Strahlungsleistungsdichte der Sonne in Erdentfernung) ergibt sich ein Strahlungsdruck von 9,1 μN/m² – bei vollständiger, senkrechter Reflexion, die aber auf interplanetaren Bahnen nicht sinnvoll ist. Typisch ist die schräge Segelstellung, bei der eine tangentiale Kraftkomponente auftritt, mit der die Bahnenergie erhöht oder verringert werden kann. Die im Bereich der Erdbahn auf einen Quadratmeter Segelfläche wirkende Kraft beträgt dann etwa 4 µN.

      Es werden also sehr große Flächen und lange Zeiten benötigt, um selbst kleine Massen nennenswert zu beschleunigen. Das heißt, das Segel muss sehr dünn sein. Bei einem Massebelag von 10 g/m², einschließlich Nutzlast, läge die Beschleunigung bei 0,4 mm/s² und ein Geschwindigkeitszuwachs von 10 km/s würde fast ein Jahr dauern.

      Gruss Martin

  6. Martin Holzherr,
    4 Mikronewton sind sehr wenig. Um eine wirksame Beschleunigung zu bekommen, braucht man also einen Hybridantrieb.
    Um zu den Sternen segeln zu können, ist das zu wenig.
    Karl Bednarik,
    die Idee mit dem Gleichgewicht von Strahlungsdruck und Gravitation zeigt die Grenze dieses Antriebs auf.
    Aber…….beim Segeln kann man die Segel schräg stellen und vielleicht könnte man wie bei einem Segelschiff, dass gegen den Wind segelt. die Gravitation zur Vorwärtsbewegung nutzen und das Sonnensegel zum Navigieren.
    Müsste man einmal konkret ausrechnen.

    • @hwied (Zitat): “ Um zu den Sternen segeln zu können, ist das [4 Mikronewton pro Quadratmeter] zu wenig.“
      Antwort: Klar. Doch das heisst nur, dass die Erde ein schlechter Startpunkt für ein Sonnensegel ist. Wenn sie ihre Segeltour ganz nah bei der Sonne beginnen, sieht das völlig anders aus. Im Artikel Extreme Solar Sailing for Breakthrough Space Exploration liest man dazu (übersetzt von google translate):

      Durch das Ausführen eines Schleudermanövers in der Nähe der Sonne, nur ~2-5 Sonnenradien von der Sonne entfernt, können Sonnensegel leichte Raumfahrzeuge der CubeSat-Klasse auf nahezu relativistische Geschwindigkeiten bringen, >0,1 % der Lichtgeschwindigkeit (> 300 km/s oder >60AU/Jahr charakteristische Geschwindigkeiten). Eine solche Technologie würde die Weltraumforschung merklich verändern, schnelle Missionen zu fernen Welten ermöglichen und unsere Sonne effektiv in eine Startrampe verwandeln. Eine Reise zu den äußeren Planeten würde Monate dauern, der interstellare Raum könnte in wenigen Jahren erreicht werden und 1000 AE in weniger als 20 Jahren.

      60 Astronomische Einheiten Distanz pro Jahr können also mit einem Solarsegel zurückgelegt werden, das seinen Kurs ganz nahe bei der Sonne beginnt. Der Brennpunkt der Gravitationslinse unserer Sonne liegt etwa bei 550 astronomischen Einheiten und wäre somit von einem solchen, nahe der Sonne startenden Sonnensegel in 11 Jahren erreichbar.
      Das ist geradezu unheimlich schnell. Natürlich kann eine solche Sonde nur ganz wenig Nutzlast mitnehmen. Aber für eine Kamera und ein Miniteleskop könnte es reichen. Damit könnte man dort dann etwa Bilder eines Exoplaneten schiessen, von dem man wissen möchte ob er belebt ist.

  7. hwied,
    zu Ihrer Information könnten Sie einfach mal bei Wikipedia reinschauen (“Solarsegel”) und dort den Quellen folgen.
    Das Prinzip des solaren Segelns wurde schon seit vielen Jahrzehnten für unterschiedliche Einsatzmöglichkeiten durchgerechnet, allerdings fehlte bisher das Material für ein leichtes, stabiles Segel. Seit einigen Jahren werden jetzt erste realistische Versuche im All durchgeführt.

    Es geht dabei keineswegs darum “zu den Sternen zu segeln”, sondern interplanetare Missionen durchzuführen, die mit den bisherigen Antrieben nicht sinnvoll zu realisieren waren. (Und ja, man kann damit sogar schräg zum Wind segeln).

    • @Robert Kühn, hwied (Zitat) “ zu Ihrer Information könnten Sie einfach mal bei Wikipedia reinschauen (“Solarsegel”)“
      Ich empfehle die englisch-sprachige Version Solar sail. Die ist aktueller, enthält Formeln und bespricht viele ganz verschiedenartige Anwendungen, darunter auch bereits durchgeführte Missionen und eine ganze Palette von vielversprechenden zukünftigen Solarsegel-Missionen.

  8. Karl Bednarik,
    der letzte Link war ein Volltreffer. Die Entscheidung, ob so ein Sonnensegel auf die sonne zufliegt oder von ihr weg ist das Verhältnis von Lichtdruck und Gravitatinsbeschleunigung. Also das Verhältnis von Masse zur Größe des Sonnensegels.
    Der beste Link seit Jahrzehnten.

  9. Ein Kochrezept mit Bildern:

    Roll-to-roll production of 30-inch graphene films for transparent electrodes:
    http://canli.dicp.ac.cn/__local/9/06/74/67AB09E9685564906FE9A184C28_8481DB56_32AB75.pdf?e=.pdf

    Meine genaueren Details:

    Man beschichtet eine Kupferfolie durch chemische Gasphasenabscheidung mit Graphen.
    Man beschichtet das Graphen mit einer Lösung von Polystyrol in
    Essigsäureethylester, das Lösungsmittel verdunstet danach,
    und kann durch Kondensation wiedergewonnen werden.
    Man löst die Kupferfolie mit Schwefelsäure und Wasserstoffperoxid auf,
    das Kupfer kann daraus elektrolytisch wiedergewonnen werden.
    Dieses 76 cm breite und beliebig lange Band aus Polystyrol mit etwas
    Graphen darauf rollt man zusammen, und transportiert es in den Weltraum.
    Man legt immer zwei solche Bänder parallel nebeneinander, eines mit
    dem Graphen nach oben, und eines mit dem Graphen nach unten.
    Dann lässt man die beiden Bänder ein Stück weit so überlappen, dass die
    beiden Graphenschichten aufeinander zu liegen kommen und durch die Van-der-
    Waals-Kräfte aneinander haften, so, wie es auch im Graphit der Fall ist.
    Wenn man nun ein ausreichend großes Quadrat angefertigt hat, dann
    befestigt man an den vier Ecken die Nutzlast mitsamt den Steuerdüsen.
    Dann lässt man dieses Quadrat langsam rotieren wie eine Schallplatte,
    damit es durch die Fliehkraft aufgespannt wird, und erhitzt es mit
    fokussiertem Sonnenlicht oder mit einem Laser.
    Bei 400 Grad Celsius zefällt das Polystyrol zu Styrol und verdampft.
    Graphen hält rund 2500 Grad Celsius aus, bevor es weich wird, natürlich
    muss man das im luftleeren Weltraum machen, damit es nicht verbrennt.
    Löcher stören nicht, weil sie keine Masse haben, und eine Mehrlagigkeit
    stört auch nicht, weil sie dann auch mehr Strahlungsdruck einfängt.

    • Nachtrag:

      Bevor man das Band aus Polystyrol mit Graphen auf der Unterseite
      zusammenrollt, bestreut man die Polystyroloberfläche mit ein
      wenig feinem Polystyrolstaub, damit das Graphen beim Zusammenrollen
      nicht auf die andere Seite des Polystyrolbandes übertragen wird.

      Wenn man zahlreiche Bänder mit Graphen auf der Oberseite parallel
      nebeneinander legt, und dann um 90 Winkelgrade verdreht,
      zahlreiche parallele Bänder mit Graphen auf der Unterseite
      darauf legt, bekommt man ein sehr solides zweilagiges Graphen.

      In der Nähe der Ecken des Quadrates lässt man wegen der besseren
      Kraftübertragung ein wenig Polystyrolbeschichtung bestehen.

    • @Karl Bednarik: Gute Überlegungen zur Herstellung eines Graphen-Solarsegels im Weltraum. Und ja, ich bin davon überzeugt, dass die wirklich grossen, in den interstellaren Raum fliegenden Solarsegel im Weltraum hergestellt werden müssen, zumindest, dass sie dort aus Vorläufern zusammenmontiert werden müssen. Leider gibt es bis jetzt soviel ich weiss keine entsprechenden Experimente im Weltraum. Erst in einem Fallturm wurde Graphen bisher unter Vakuumbedingungen getestet (Zitat ESA demonstrates viability of graphene solar sails):

      Um zu testen, ob Graphen als Segel verwendet werden könnte, verwendeten die Forscher einen Graphen-Schnipsel mit einem Durchmesser von nur 3 mm. Sie ließen es von einem 100 Meter hohen Turm in Bremen fallen, um zu testen, ob es unter Vakuum und in der Schwerelosigkeit funktioniert.

      Sobald das Segel im freien Fall war, leuchteten sie mit einer Reihe von Laserlichtern darauf, um zu sehen, ob es als Sonnensegel fungieren würde. Das Leuchten eines 1-W-Lasers beschleunigte das Segel um bis zu 1 m/s2, ähnlich der Beschleunigung eines Bürolifts, aber bei Sonnensegeln dauert die Beschleunigung so lange an, wie das Sonnenlicht auf die Segel trifft, was das Raumfahrzeug auf immer höhere Geschwindigkeiten bringt.

      „Die Herstellung von Graphen ist relativ einfach und könnte leicht auf kilometerbreite Segel skaliert werden, obwohl der Einsatz eines riesigen Segels eine ernsthafte Herausforderung darstellen wird“, sagte Santiago Cartamil-Bueno, Leiter des GrapheneSail-Teams und Direktor von SCALE Nanotech, a Forschungs-Start-up-Unternehmen, das in Estland und Deutschland tätig ist.

  10. Karl Bednarik,
    Jetzt kann die Zukunft kommen.
    Welches Material man für die Folie nimmt, hängt von der Temperatur ab, in der sich das Sonnensegel bewegt.
    Bevor ich das mit den Graphen gelesen habe, hatte ich an festes Methan gedacht,
    weil die vier Wasserstoffatome das Kohlenstoffatom gut abschirmen.

    Was mir zu denken gibt, der Wirkungsgrad des Sonnensegels ist extrem schlecht, weil der Strahlungsdruck bei 1m² nur 9 Mikronewton beträgt.
    Man könnte ja auch das Sonnensegel in form eines riesigen Hohlspiegels bauen und das Licht auf einen Sterlingmotor richten, der im Weltraum optimal arbeiten würde. Das ist eine Wärmekraftmaschine, die von außen beheizt wird, vom Sonnenlicht. Wenn wir einen Wirkungsgrad von 30 % annehmen ist das doppelt soviel wie bei einer Solarzelle.

  11. Karl Bednarik,
    Abstützmasse…….
    Für eine Raumstation , die in Drehung versetzt wird. Der Motor dreht sich nach rechts, die Raumstation dreht sich nach links.
    Grundsätzliche Überlegungen zur Energieumwandlung:
    Energieform Sonnenlicht:
    1. Umwandlung in Wärme durch Metalle, deren Elektronen in ungeordnete Bewegung = wärme versetzt werden..
    2. Umwandlung in Strom durch Halbmetalle z.B. Silizium, das durch Dotieren einen gerichteten Elektronenfluss erzeugt = Elektrizität
    3. Umwandlung in Bewegung durch Isolatoren, sowohl elektrisch als auch thermisch, durch Kunststoffe.

    Also ganz so schlimm wie beim Orion-Projekt, das mit Kernkraft arbeitet, wollen wir ja nicht werden.

    • Nach dem Impulserhaltungssatz muss man etwas nach hinten ausstoßen um im Weltraum voran zu kommen.
      Also kostenlose Photonen reflektieren oder absorbieren, oder Xenon mitnehmen und möglichst schnell hinten hinausblasen.

  12. Mit laserbeschienen Solarsegeln mit bis zu 10% Lichtgeschwindigkeit reisen
    Solarsegel sind ideale Raumfahrzeuge wenn ein starker Lichtstrahl auf sie fällt, denn dann beschleunigt der Lichtstrahl ein Objekt mit sehr kleiner Masse und je kleiner die Masse des Raumfahrzeugs desto stärker wirkt der Antrieb. Oder anders formuliert: Lichtsegel haben keinen eigenen Antrieb, sie werden von aussen angetrieben. Damit können Lichtsegel sehr leicht sein, eine sehr geringe Masse besitzen. Heutige mehrstufige Raketen sind genau darum mehrstufig, damit sie im Flug unnötige Masse loswerden können (durch Abtrennen von Stufen) , denn unnötige Masse „bremst die Rakete aus“. Ein Solarsegel hat aber keine unnötige Masse.

    Die Zukunft der Raumfahrt gehört Raumschiffen mit externem Antrieb, gehört Raumschiffen, die von Strahlen beschleunigt werden. Das ist so gut wie sicher, denn jede unnötige Masse in einem Raumfahrzeug macht es zum Underperformer.
    Lichtsegel sind also ideal, aber nur dann, wenn sie von einem sehr starken Lichtstrahl beschienen werden. Das heisst: nur in unmittelbarer Nähe der Sonne oder aber wenn sie von einem starken Laserstrahl beschienen werden.

    Marstouristen werden in ferner Zukunft in Marsraumschiffen reisen, welche von Laserstrahlen in Gigawattstärke angetrieben werden. Einer der Gigawattlaser wird in Erdnähe postiert sein, der andere in Marsnähe (für die Rückreise). Die Raumschiffe werden entweder passiv im Lichtstrahl segeln oder sie werden das Licht per Fotovoltaik in Strom umwandeln und mit dem Strom einen Plasma-/Ionenantrieb antreiben.

    Laserstrahlen sind für die interstellare Raumfahrt, also für die Raumfahrt in den tiefen Weltraum heute aber nicht geeignet, denn selbst die Strahlen eines Laserstrahls sind nicht perfekt parallel, sie laufen auseinander. Das – das Auseinanderlaufen der Lichstrahlen also – muss man verhindern, wenn man Raumschiffe mit Lichtstrahlen in den tiefen Weltraum katapultieren will. Und es gibt Ideen wie man das tun könnte. Die prominenteste dieser Ideen wir im Artikel PROCSIMA: Diffractionless Beamed Propulsion for Breakthrough Interstellar Missions vorgestellt, wo man liest:

    Wir schlagen eine neue und innovative Strahlantriebsarchitektur vor, die eine interstellare Mission zu Proxima Centauri mit einer 42-jährigen Reisedauer bei 10 % der Lichtgeschwindigkeit ermöglicht. Diese Architektur erhöht die Entfernung, über die das Raumfahrzeug beschleunigt wird (im Vergleich zum „naiven“ Laserantrieb), drastisch, während gleichzeitig die Strahlgröße am Sender und an der Sonde von 10 Kilometern auf weniger als 10 Meter reduziert wird. …
    Die entscheidende Innovation unseres Antriebskonzepts ist die Anwendung eines kombinierten Neutralteilchenstrahls und Laserstrahls so, dass sich der Strahl bei der Strahlausbreitung weder aufspreizt noch bricht. Die Eliminierung sowohl der Beugung als auch der thermischen Ausbreitung wird erreicht, indem die gegenseitige Wechselwirkung von Laser- und Partikelstrahlen so angepasst wird, dass (1) durch den Partikelstrahl erzeugte Brechungsindexänderungen einen Wellenleitereffekt erzeugen (wodurch die Laserbeugung eliminiert wird) und (2) der Partikel Strahl wird in Bereichen hoher elektrischer Feldstärke nahe der Mitte des Laserstrahls eingefangen. Durch die gleichzeitige Ausnutzung dieser Phänomene können wir einen kombinierten Strahl erzeugen, der sich mit einem konstanten räumlichen Profil ausbreitet, auch Soliton genannt. Daher haben wir die vorgeschlagene Architektur PROCSIMA genannt: Photon-paRticle Optically Coupled Soliton Interstellar Mission Accelerator. Im Vergleich zu einem beugenden Laserstrahl erhöht die PROCSIMA-Architektur die Beschleunigungsstrecke der Sonde um einen Faktor von ~10.000, was eine Nutzlast von 1 kg für die 42-jährige Mission zu Proxima Centauri ermöglicht.

    Frage: Wer ist weniger als ein Kilogramm schwer, so dass er in 42 Jahren mit PROCSIMA zu Proxima Centauri mitreisen kann? Versuch einer Antwort: Vielleicht ein superhumaner Roboter des Jahres 2075 in 1 Nanometer-Technologie.

    • Präzisierung zu (Eigenzitat):

      Marstouristen werden in ferner Zukunft in Marsraumschiffen reisen, welche von Laserstrahlen in Gigawattstärke angetrieben werden. Einer der Gigawattlaser wird in Erdnähe postiert sein, der andere in Marsnähe (für die Rückreise). Die Raumschiffe werden entweder passiv im Lichtstrahl segeln oder sie werden das Licht per Fotovoltaik in Strom umwandeln und mit dem Strom einen Plasma-/Ionenantrieb antreiben.

      Erd-Mars-Schiffe können nicht passiv im Licht der Gigawattlaser segeln, denn der Lichtdruck eines 1 Gigawatt-Lasers erzeugt nur gerade eine Kraft von 6.7 Newton – also viel zu wenig.
      Vielmehr müsste das Raumschiff die eingestrahlte Sonnenenergie mittels Solarzellen in Strom umwandeln um den Stromm dann für einen Plasma-/Ionenantrieb zu verwenden.

      Instant-Einsicht: Vielleicht sind fusionsgetriebene Raketen doch die nahe Zukunft der Weltraumfahrt innerhalb unseres Sonnensystems. Mindestens wenn es gelingt Fusionsantriebe geringer Masse zu bauen. Grund: Die nukleare Fusion erzeugt eine ungeheuere Energie allein aus einem Kilogramm einer Mischung von Deuterium und Tritium. Und Fusionsenergie könnte schon in 30 Jahren kommerziell zur Verfügung stehen.

  13. Karl Bednarik, Martin Holzherr,
    grundsätzlich lässt sich nur durch den Lichtdruck eine Masse bewegen , ohne selbst Masse abzustoßen. Das ist schon klar.
    Wenn also der Lichtdruck stärker ist als die entgegenwirkende Gravitation, dann bleibt das Verhältnis Kraft des Lichtes / Gravitationskraft immer gleich, weil beide Kräfte quadratisch zu -oder abnehmen.
    Auf das Sonnensegel machen wir jetzt Werbung für die Menschheit und schicken eine solche Sonde in das All und diese Sonde wird bis in alle Ewigkeit das All durchfliegen, wenn sie nicht von einem Himmelskörper eingefangen wird.
    Nachtrag: Die Idee mit dem Laser ist gut. Wir stationieren auf der Strecke zum Mars alle 1 Mio km eine Laserstation, die sich selbst durch Sonnenlicht auflädt, dann mit dem Laser das Solarsegel antreibt. Das ergibt etwa 50 Stationen.

    • @hwied (Zitat):

      Wir stationieren auf der Strecke zum Mars alle 1 Mio km eine Laserstation, die sich selbst durch Sonnenlicht auflädt, dann mit dem Laser das Solarsegel antreibt. Das ergibt etwa 50 Stationen.

      Frage: Haben sie berücksichtigt, dass sich Mars und Erde auf ihren eigenen Bahnen um die Sonne bewegen und dass damit Mars und Erde ständig ihre Position relativ zueinander verändern?
      Problem: Die 50 Laserstationen zwischen Erde und Mars, die sie vorschlagen müssten ständig verschoben, ständig repositioniert werden, weil sich auch Erde und Mats verschieben. Da scheint es mir besser je eine Laserstation in der Nahe des Mars und im selben Orbit wie der Mars zu haben und eine zweite analoge bei der Erde. Das macht es einfacher als 50 Stationen ständig hin und her zu bewegen.

  14. hwied,

    Sie haben offensichtlich keine Ahnung von dem Thema und wollen sich auch nicht damit beschäftigen, sondern ergehen sich hier in inkompetenten, zynischen Bemerkungen.

    1. Es geht hier nicht darum, mittels Sterlingmotor oder PV eine elektrische Leistung für einen Ionenmotor zu erzeugen. Das hat mit dem Thema nichts zu tun.

    2. Es geht auch nicht um eine interstellare Sonde, sondern darum, bestimmte interplanetare Missionen zu ermöglichen, die mit bisherigen Verfahren (zu denen auch die elektrischen Antriebe zählen) nicht sinnvoll sind.

    3. Die Raumfahrt steht mit der Entwicklung (Folienmaterial, Steuerung, leichte Nutzlasten) erst ganz am Anfang der Entwicklung.

    Ich empfehle Ihnen also, sich mal ein bisschen mit dem Thema zu beschäftigen.

  15. Robert Kühn,
    womit ich mich beschäftige, das bleibt meine Sache. Wir sind hier im Brainstorming und nicht bei einer Doktorprüfung.
    Was den Sterlingmotor betrifft , den habe ich schon gebaut und der passt ganz genau zu dem Thema, weil der auch mit Sonnenlichtbetrieben werden kann.
    Meine Empfehlung, locker bleiben !

    Martin Holzherr,
    der große vorteil der Solarsegel ist, dass sie im Gleichgewichtszustand betrieben werden können. Dabei braucht die Sonde gar nicht mehr um die Sonne zu kreisen, weil ja die Gravitation durch den Lichtdruck egalisiert wird. Es ergibt sich die einmalige Möglichkeit, die Sonde im Raum zu fixieren, also in einer Linie Sonde-Sonne-Fixstern.

  16. @hwied (Zitat):

    der große vorteil der Solarsegel ist, dass sie im Gleichgewichtszustand betrieben werden können. Dabei braucht die Sonde gar nicht mehr um die Sonne zu kreisen, weil ja die Gravitation durch den Lichtdruck egalisiert wird.

    Antwort: wozu soll das gut sein. Vielleicht um einen erdentfernten Satelliten über einem der Pole der Erde schweben zu lassen um so die Sonne besser beobachten zu können? Dafür wurde das nämlich vorgeschlagen. Solche an einem Punkt relativ zur Erde oder Sonne fixierten Satelliten nennt man auch Statiten. Sie müssten mindestens 800 Kilometer von der Erdoberfläche entfernt sein, weil sonst die Restatmosphäre den Satelliten zu stark ausbremst als dass ein Solarsegel das ausgleichen könnte.

    In einer Erdumlauf kann der Druck der Solarstrahlung auf die Solaranlage eines Satelliten und die Wärmestrahlung des erhitzten Satelliten dazu genutzt werden den Satelliten im Raum wie gewünscht zu orientieren. Dazu müssen die Solarpanel relativ zur Sonne „richtig“ ausgerichtet werden. Zu viel mehr reicht die extrem schwache Kraft der Solarstrahlung auf die Solarpanel eine Satelliten in der Erdumlaufbahn nicht. Auch grössere Solarsegel erhalten in Erdnähe nur wenig Schub durch ein Solarsegel. Spezielle Solarsegel könnten aber dazu genutzt werden Satelliten am Ende ihrer Lebenszeit auf die Erde abstürzen zu lassen – etwas was man Deorbiting nennt.

    Das ändert sich erst bei einem Abstand des Solarsegels zur Sonne von nur wenigen Sonnenradii, denn der Druck der Sonnenstrahlung verdoppelt sich mit jeder Halbierung des Abstands zur Sonne. Sonnensegel, die ein Fly-By Manöver um die Sonne machen und dabei der Sonne sehr nahekommen, können sehr hohe Geschwindigkeiten erreichen und das innerhalb eines oder 2 Tagen in denen sie der Sonne am nächsten sind. Allerdings ist die maximale Nutzlast solcher Solarsegel-Satelliten äusserst gering, ausser sie sind gigantisch gross. Solarsegel sind so gesehen Exoten und eignen sich am besten für exotische Missionen. Wie etwa für eine Mission zum Fokus der Gravitationskraft unserer Sonne. Dort wird das Licht ferner Sterne und ferner Exoplaneten gebündelt und erlaubt damit Beobachtungen, die selbst mit einem ein Kilometer grossen Teleskop in Erdnähe nicht möglich wären.

  17. Die Kraftwirkung des Strahlungsdruckes ergibt sich aus
    der Leistung geteilt durch die Lichtgeschwindigkeit.
    Der Strahlungsdruck ist nur von der Leistung abhängig, und
    nicht von der Wellenlänge der Strahlung, aber der elektrische
    Wirkungsgrad von Mikrowellensendern ist höher als der von Lasern.
    Außerdem lässt sich die Phasenlage von räumlich
    verteilten Mikrowellensendern leichter synchronisieren,
    als die Phasenlage von räumlich verteilten Lasern.
    Die Strahlaufweitung beträgt ungefähr 70 Grad (oder 1,22 rad)
    mal Wellenlänge geteilt durch den Spiegeldurchmesser.
    Wenn die Richtstrahlsender auf der Erdoberfläche verteilt
    sind, dann muss man ihre Phasenlage genau synchronisieren.
    Das geht am einfachsten, wenn man die Phasenlage der
    vom Zielobjekt zurückgestreuten Strahlung beobachtet.
    Dieses Bild ist nur eine grobe Vereinfachung:
    http://members.chello.at/karl.bednarik/ANTISATE.PNG
    Bei einer Wellenlänge von 0,001 Metern und eimem
    virtuellen Spiegeldurchmesser von 10.000.000 Metern, der
    auf die Erdoberfläche passt, beträgt die Strahlaufweitung
    7 mal 10 hoch minus 9 Grad oder 1,22 mal 10 hoch minus 10 rad.
    Wenn das Zielobjekt 1000 Meter Durchmesser hat, dann wird
    es in einer Entfernung von 8,2 mal 10 hoch 12 Metern
    oder von 8200 Millionen Kilometern noch gut getroffen.
    Zum Vergleich, der Planet Neptun hat einen Bahnradius
    von nur 4495 Millionen Kilometern.
    Bei einem Netz aus Kohlenstoff-Nano-Röhrchen muss die
    Maschenweite kleiner als die halbe Wellenlänge der
    Mikrowellenstrahlung sein, also hier 0,5 Millimeter.
    Weil die Kohlenstoff-Nano-Röhrchen nur wenige Atomduchmesser
    dick sind, und weil das Netz haupsächlich aus Löchern besteht,
    wird seine Masse pro Fläche noch geringer als bei Graphen sein.
    Sehr schön, das Starwisp von Robert Forward:
    http://www.transorbital.net/Library/D001_AxA.html

    • @Karl Bednarik (Zitat): “ Sehr schön, das Starwisp von Robert Forward“
      Ja, Robert Forward hat mindestens 100 Jahre vorausgedacht und quasi schon im Zeitraum 1970 bis 1985 die detaillierten Berechnungen und Überlegungen gemacht, die dann, wenn die Menschheit wirklich zu den Sternen aufbricht, erst benötigt werden. Selber hat er aber den Zeitrahmen kürzer gesehen, schreibt er doch:

      Alles, was es wirklich braucht, ist der Wunsch und das Engagement für einige Jahrzehnte harter Weltraum-Engineering-Arbeit, und unsere erste interstellare Sonde könnte noch zu unseren Lebzeiten zu den Sternen fliegen.

      Robert Lubin ist mit seiner Breakthrough Starshot – Initiative quasi der Robert Forward der 2010er Jahre und Robert Lubin ähnelt Robert Forward auch darin, dass er einen Realisationszeitaufwand von 20 Jahren sieht wo in Wirklichkeit eher mit 100 Jahren oder mehr zu rechnen ist.

    • Wenn man auf 10 Prozent der Lichtgeschwindigkeit kommen will,
      also auf 30.000.000 Meter pro Sekunde, und wenn man mit der
      5-fachen Erdbeschleunigung, also mit 50 Metern pro Sekundenquadrat,
      beschleunigen will, dann dauert das 600.000 Sekunden, also
      rund eine Woche, und die Beschleunigungsstrecke ist dann
      9 mal 10 hoch 12 Meter oder 9000 Millionen Kilometer lang,
      was sich gut mit meinen obenstehenden Berechnungen verträgt.
      t=v/a, s=0,5*a*t*t, s=(v*v)/(2*a).

  18. M.Holzherr, Karl Bednarik,
    Meine Phantasie geht auch schon Jahrhunderte voraus, wo Solarsegel mit Flächen von 10 000 m² bis 1 Million m” im Raum fest stationiert sind.
    Das hat den Vorteil, dass ihre Position von jedem Erdenmenschen in einem Katalog nachgeschaut werden kann. An Thanksgiving Day schicken die einen Lichtblitz zur Erde, und die Menschen antworten mit einem Laser. Das wird ein Medienspektakel und die Leute sind bereit Geld für solche Projekte auszugeben.

    Die ausgewählten Orte liegen entweder zeitgünstig auf Bahnen zwischen Erde und Mars oder energiegünstig. So kann jedes Jahr ein Fahrplan erstellt werden, wann der Abflug zum Mars ist, wo Zwischenstation ist, wo man umsteigen kann in eine Fähre die gerade zurückfliegt.

    Das Wichtigste, die Projekte müssen finanziert werden und es muss ein Gewinn abfallen, sonst bleibt alles nur Theorie.

  19. Nachtrag für reale Stationen.
    Ein Sonnensegel von 10 g Masse ist einer Gravitationskraft von 1,3 µNewton ausgesetzt. Die Kraft des Sonnenlichtes auf dieses 1m² Segel beträgt 4 µNewton.
    Ist also 3 x größer.
    Dieses Verhältnis bleibt immer gleich.
    Nehmen wir ein Segel von 1 Million m², dann wiegt das Segel 10 000 kg, aber die Station kann 30 000 kg Masse haben, das sind 30 Tonnen.

  20. Karl Bednarik,
    —-Der größte Statit.
    So weit wollte ich gar nicht gehen. Aber die Gedanken sind richtig.
    Man könnte auch hybridStatiten bauen, die ihre Energie aus dem Sonnenlicht beziehen und ihren Kurs durch Umrundung des Planeten stabilisieren.
    Beispiel eine Sonde in Mondentfernung , wo die Gravitationskraft der Erde mal kurz überschlagen etwa 3µNewton beträgt.
    In Erdnähe wird man immer umrunden müssen um die Gravitationskraft der Erde zu kompensieren.

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