Das Staustrahltriebwerk von Bussard ist eine theoretische Methode des Raumfahrzeugantriebs vorgeschlagen 1960 vom Physiker Robert W. Bussard, der durch den Roman von Poul Andersons Tau Null, Larry Niven in seiner Bekannten Raumreihe von Büchern verbreitet ist, und auf durch Carl Sagan in der Fernsehreihe und dem Buch verwiesen ist.

Bussard hat eine Staustrahltriebwerk-Variante einer zu angemessenem interstellarem spaceflight fähigen Fusionsrakete, mit enormen elektromagnetischen Feldern (im Intervall von Kilometern zu vielen tausend von Kilometern im Durchmesser) als eine Widder-Schaufel vorgeschlagen, um Wasserstoff vom interstellaren Medium zu sammeln und zusammenzupressen. Hohe Geschwindigkeiten zwingen die reaktive Masse in ein progressiv eingeengtes magnetisches Feld, es zusammenpressend, bis thermonukleare Fusion vorkommt. Das magnetische Feld leitet dann die Energie als Rakete-Auslassventil gegenüber der beabsichtigten Richtung des Reisens, dadurch den Behälter beschleunigend.

Designdiskussion

Ein Hauptproblem mit dem Verwenden des Raketenantriebs, um die für den interstellaren Flug erforderlichen Geschwindigkeiten zu erreichen, ist die enormen Beträge des erforderlichen Brennstoffs. Da dieser Brennstoff selbst beschleunigt werden muss, läuft das auf eine ungefähr Exponentialzunahme in der Masse als eine Funktion der Geschwindigkeitsänderung mit nichtrelativistischen Geschwindigkeiten hinaus, asymptotisch zur Unendlichkeit neigend, weil es sich der Geschwindigkeit des Lichtes nähert. Im Prinzip vermeidet das Staustrahltriebwerk von Bussard dieses Problem, indem es Brennstoff damit nicht getragen wird. Ein ideales Staustrahltriebwerk-Design konnte sich im Prinzip unbestimmt beschleunigen, bis sein Mechanismus gescheitert hat. Schinderei ignorierend, konnte sich ein durch solch einen Motor gesteuertes Schiff willkürlich in der Nähe von der Geschwindigkeit des Lichtes theoretisch beschleunigen, und würde ein sehr wirksames interstellares Raumfahrzeug sein. In der Praxis, seit der Kraft der erzeugten Schinderei durch das Sammeln der interstellaren mittleren Zunahmen ungefähr als seine Geschwindigkeit, die mit nichtrelativistischen Geschwindigkeiten quadratisch gemacht ist, und neigt asymptotisch zur Unendlichkeit, weil es sich der Geschwindigkeit des Lichtes nähert (alle Maße von der Perspektive des Schiffs nehmend), würde jedes solches Staustrahltriebwerk eine Begrenzungsgeschwindigkeit haben, wo die Schinderei Stoß gleichkommt. Um positiven Stoß zu erzeugen, muss der Fusionsreaktor dazu fähig sein, Fusion zu erzeugen, während er noch den Ereignis-Ionen ein Netz nach hinten Beschleunigung (hinsichtlich des Schiffs) gibt.

Eine Geschwindigkeit eines Gegenstands kann durch das Summieren mit der Zeit der gelieferten Beschleunigung berechnet werden (das Ignorieren der Effekten der speziellen Relativität, die bedeutend bei nützlichen interstellaren Beschleunigungen schnell werden würde). Wenn sich ein Staustrahltriebwerk an 10 m/s, ein bisschen mehr als ein Erdernst beschleunigen konnte, würde es 77 % der leichten Geschwindigkeit innerhalb eines Jahres erreichen. Jedoch, wenn das Staustrahltriebwerk eine durchschnittliche Beschleunigung von 0.1 m/s hat, dann braucht man 100 Jahre, um als schnell und so weiter zu gehen.

Die Spitzengeschwindigkeit eines Staustrahltriebwerk-gesteuerten Raumschiffes hängt von fünf Dingen ab:

1. Die Rate, an der Masse vom Raum durch die Ion-Schaufel gesammelt wird.
2. Die Auspuffgeschwindigkeit des Staustrahltriebwerks und das Nettostoß-Niveau haben vom Auspuffstrahl vorgeherrscht. Der erzeugte Stoß kann berechnet werden, weil die Masse von Ionen vertrieben pro Sekunde multipliziert mit dem Staustrahltriebwerk Geschwindigkeit (V), angepasst für relativistische Effekten erschöpft.
3. Die Schinderei hat durch das Sammeln des interstellaren Mediums erzeugt, das eine Funktion der Geschwindigkeit sein wird.
4. Der Stoß zum Massenverhältnis des Staustrahltriebwerks, das ist: = hat Stoß Masse (N/kg = m/s) angepasst für relativistische Effekten geteilt.
5. Wie lange das Staustrahltriebwerk wirklich im Stande ist, unter dem Stoß zu bleiben, bevor es zusammenbricht.

Das gesammelte Treibgas kann als Reaktionsmasse in einem Plasmaraketentriebwerk verwendet werden, Ion-Raketentriebwerk, oder sogar in einer Vernichtung der Antimaterie-Sache hat Raketentriebwerk angetrieben. Interstellarer Raum enthält einen Durchschnitt von 10 Kg der Masse pro Kubikmeter des Raums, in erster Linie in der Form von nichtionisiertem und ionisiertem Wasserstoff, mit kleineren Beträgen von Helium und keinen bedeutenden Beträgen anderen gasses. Das bedeutet, dass die Staustrahltriebwerk-Schaufel 10 Kubikmeter des Raums (ungefähr das Volumen der Erde) kehren muss, um ein Kilogramm Wasserstoff zu sammeln.

Eine große Energiequelle fügt mehr Masse zum Staustrahltriebwerk-System hinzu, und das macht es härter sich zu beschleunigen. Deshalb ist die spezifische Macht, (A) der Energiequelle des Staustrahltriebwerks entscheidend. Die spezifische Macht A ist die Zahl von Joule der Energie, die der Reaktor des starship pro Kilogramm seiner Masse erzeugt. Das hängt von der Staustrahltriebwerk-Kraftstoffenergiedichte, und auf dem spezifischen Design der Kernkraft-Reaktoren des Staustrahltriebwerks ab.

Die offensichtliche Kraftstoffquelle, von Bussard vorgeschlagene diejenige, ist Fusion von Wasserstoff, der allgemeinste Bestandteil von interstellarem Benzin. Leider ist die Protonenproton-Fusionsrate Null für diesen Zweck nah: Protone an der Sonne überleben durchschnittlich seit einer Milliarde Jahren oder mehr vor dem Reagieren. Entsprechend würde ein interstellares Staustrahltriebwerk durch andere Kernreaktionen angetrieben werden müssen, aber die erforderlichen Isotope sind im interstellaren Medium selten. Ein Fusionsreaktor hat gepflegt zu rasen ein Staustrahltriebwerk könnte starship ein unveränderlicher magnetischer auf den folgenden Kernfusionsreaktionen gestützter Zustandfusionsreaktor sein. H + H  Er + n + 4 MeV oder H + H  Er + n + 17.8 MeV.

Dieses Problem wurde im Prinzip gemäß Dr Bussard durch den Gebrauch des CNO Sternzyklus behoben, in dem Kohlenstoff als ein Katalysator verwendet wird, um Wasserstoff über die starke Kernreaktion zu verbrennen. Dieser Zyklus kommt an der Sonne vor (.

Staustrahltriebwerk-Designs von Bussard, die den gesammelten Wasserstoff nur als Reaktionsmasse verwenden, werden manchmal Widder-vermehrte interplanetarische oder interstellare Raketen (RAIR) http://www.projectrho.com/rocket/rocket3aj.html#derivatives genannt, um sie von den Designs zu unterscheiden, die den gesammelten Wasserstoff als Brennstoff verwenden.

Die Masse der Ion-Widder-Schaufel muss auf einem interstellaren Staustrahltriebwerk minimiert werden. Die Größe der Schaufel ist groß genug, dass die Schaufel nicht fest sein kann. Das wird am besten durch das Verwenden eines elektromagnetischen Feldes, oder wechselweise das Verwenden eines elektrostatischen Feldes vollbracht, um die Ion-Widder-Schaufel zu bauen. Solch eine Ion-Schaufel wird elektromagnetische Trichter oder elektrostatische Felder verwenden, um ionisiertes Wasserstoffbenzin vom Raum für den Gebrauch als Treibgas durch Staustrahltriebwerk-Antrieb-Systeme zu sammeln (da viel vom Wasserstoff nicht ionisiert wird, haben einige Versionen einer Schaufel vor, den Wasserstoff vielleicht mit einem Laser vor dem Schiff zu ionisieren.) Ein elektrisches Feld kann die positiven Ionen elektrostatisch anziehen, und sie so innerhalb eines Staustrahlers ziehen. Der elektromagnetische Trichter würde die Ionen in spiralenförmige Spiralen um die magnetischen Feldlinien biegen, um die Ionen über die Bewegung des starship durch den Raum zu schöpfen. Ionisierte Partikeln, die sich in Spiralen bewegen, erzeugen einen Energieverlust, und schleifen folglich; die Schaufel muss entworfen werden, um die kreisförmige Bewegung der Partikeln sowohl zu minimieren als auch gleichzeitig die Sammlung zu maximieren. Ebenfalls, wenn der Wasserstoff während der Sammlung geheizt wird, wird Thermalradiation einen Energieverlust vertreten, und folglich auch schleifen; so muss eine wirksame Schaufel sammeln und den Wasserstoff ohne bedeutende Heizung zusammenpressen. Eine magnetohydrodynamic Generator-Zeichnungsmacht vom Auslassventil konnte die Schaufel antreiben.

Der Sammlungsradius solch eines ionischen ramscoop ist die Entfernung vom Staustrahltriebwerk, an dem das elektrische Feld des ramscoop größer ist als das galaktische elektrische Feld 1.6×10 V/m, oder das elektromagnetische Feld des ramscoop größer ist als das natürliche galaktische magnetische Feld von 0.1 nanotesla (1×10 gauss). Die Kraft des ramscoop Sammlungsfeldes würde sich proportional zu 1/d in der Entfernung vom ramscoop Generator neigen.

Diskussionen der Durchführbarkeit

Seit der Zeit des ursprünglichen Vorschlags von Bussard ist es entdeckt worden, dass das Gebiet, das die Sonne umgibt, eine viel niedrigere Dichte von interstellarem Wasserstoff hat, als es damals geglaubt wurde (sieh Lokale Interstellare Wolke). T.A. Heppenheimer hat den ursprünglichen Vorschlag von Bussard von durchbrennenden Protonen analysiert, aber hat gefunden, dass die bremsstrahlung Verluste davon, Protone zu Fusionsdichten zusammenzupressen, größer waren als die Macht, die durch einen Faktor der ungefähr 1 Milliarde erzeugt werden konnte, so anzeigend, dass die vorgeschlagene Version des Staustrahltriebwerks von Bussard unausführbar war. Jedoch zeigt die 1975-Analyse von Daniel P. Whitmire an, dass ein Staustrahltriebwerk Nettomacht über den CNO Zyklus erreichen kann, der Fusion an einer viel höheren Rate (~10mal höher) erzeugt als die Protonenproton-Kette.

Robert Zubrin und Dana Andrews haben eine hypothetische Version von Bussard ramscoop und Staustrahltriebwerk-Design 1985 analysiert. Sie haben beschlossen, dass ihre Version des Staustrahltriebwerks unfähig sein würde, sich in den Sonnenwind zu beschleunigen. Jedoch in ihren Berechnungen haben sie dass angenommen:

1. Die Auspuffgeschwindigkeit ihres interplanetarischen Ion-Antrieb-Staustrahltriebwerks konnte 100,000 m/s (100 km/s) nicht überschreiten;
2. Die größte verfügbare Energiequelle konnte ein 500-Kilowatt-Atomspaltungsreaktor sein.

Im Zubrin/Andrews interplanetarischen Staustrahltriebwerk-Design haben sie berechnet, dass die Schinderei d/dt (mv) zwingt, kommt der Masse der geschöpften Ionen gesammelt pro Sekunde multipliziert mit der Geschwindigkeit der geschöpften Ionen innerhalb des Sonnensystems hinsichtlich des ramscoop gleich. Wie man annahm, war die Geschwindigkeit der (geschöpften) gesammelten Ionen vom Sonnenwind 500,000 m/s.

annahm, hat die Auspuffgeschwindigkeit der Ionen, wenn vertrieben, durch das Staustrahltriebwerk 100,000 m/s nicht überschritten. Der Stoß des Staustrahltriebwerks d/dt (mv) war der Masse von Ionen vertrieben pro Sekunde multipliziert mit 100,000 Metern pro Sekunde gleich. Im Zubrin/Andrews Design von 1985 ist das auf die Bedingung dass d/dt (mv)> d/dt (mv) hinausgelaufen. Diese Bedingung ist auf die Schinderei-Kraft hinausgelaufen, die den Stoß des hypothetischen Staustrahltriebwerks in der Zubrin/Andrews Version des Designs überschreitet.

Ziehen Sie auch den Fall eines Behälters in Betracht, ein Sternsystem verlassend, oder zu den Außenplaneten gehend. In diesem Fall ist die durch den Sonnenwind erzeugte Kraft vorteilhaft. Da die Werte für die Schinderei auf der Verhältnisgeschwindigkeit basieren, wird das Verwenden der Schaufel als eine Form des elektromagnetischen Segels zusätzlichen Stoß zur Verfügung stellen, so lange der Behälter an weniger als 500,000 m/s weg von einem Stern reist. Während interstellare Sache relativ knapp ist, hat dieser Überfluss an energiereichen Ionen in der Nachbarschaft von Sternen Potenzial für die anfängliche Beschleunigung und nach der Ankunft bremsend.

Die Schlüsselbedingung, die bestimmt, ob sich ein interstellares Staustrahltriebwerk vorwärts in der Richtung auf seinen Stoß beschleunigen wird, besteht darin, dass der Stoß des Staustrahltriebwerks Schinderei überschreiten muss, die sich aus dem Schöpfen von Ionen vom Raum ergibt. Oder, wie besprochen, oben, muss die Bedingung d/dt (mv)> d/dt (mv) wahr sein.

• d/dt (mv) ist die Schinderei-Kraft, die durch das Staustrahltriebwerk während seiner wirklichen Operation erfahren ist; d/dt (mv) ist die Masse von gesammeltem Treibgas pro Einheitszeit-Zeiten die Geschwindigkeit der geschöpften Ionen hinsichtlich des Staustrahltriebwerks starship.
• d/dt (mv) ist der durch das Staustrahltriebwerk erzeugte Stoß; d/dt (mv) ist die Masse von gesammeltem Staustrahltriebwerk-Treibgas pro Einheitszeit, die mit der Auspuffgeschwindigkeit multipliziert ist, an der es vom Staustrahler vertrieben wird, um Stoß zu erzeugen.

Beispiel

Zum Beispiel könnte ein Staustrahltriebwerk 1 Gramm von eingehenden Ionen pro Sekunde vom interstellaren Raum außer dem heliopause, an einer Geschwindigkeit von 50 km/s hinsichtlich des Staustrahltriebwerks gesteuertes Raumfahrzeug sammeln. In diesem Fall ist d/dt (mv) (0.001 kg/s) (50,000 m/s), eine Schinderei-Kraft von 50 Newton nachgebend.

Wenn das Gramm von Ionen dann zu 500,000 m/s dann d/dt (mv) beschleunigt wird, ist (0.001 kg/s) (500,000 m/s) = 500 N.

Deshalb geben-50 Newton + 500 Newton eine Nettokraft vorwärts 450 Newton nach.

Die typische Geschwindigkeit des Sonnenwinds innerhalb des Sonnensystems ist 500 km/s. Die typische Geschwindigkeit des interstellaren Winds ist 50 km/s außer dem heliopause. Im Sonnensystem, wenn die Auspuffgeschwindigkeit des Staustrahltriebwerks 500 km/s überschreitet, wird es einen Nettostoß geben, der das Staustrahltriebwerk beschleunigen wird. Abbildungen hier nehmen an, dass das Raumfahrzeug zur Sonne reist (da der Sonnenwind gerichtet ist), unter den schlechtesten Bedingungen für den Stoß.

Wenn das Beispiel im Sonnensystem angeführt würde, würde die Schinderei-Kraft, d/dt (mv), über (0.001 kg/s) (500,000 m/s), oder 500 Newton sein.

Wenn die Auspuffgeschwindigkeit des Staustrahltriebwerks 1,000,000 m/s dann d/dt (mv) = (0.001 kg/s) (1,000,000 m/s) = 1000 N des Stoßes, und-500 Newton + 1000 Newton = Nettostoß von 500 Newton war, um das Staustrahltriebwerk vorwärts zu beschleunigen.

Wenn die Zubrin/Andrews Annahme dann d/dt (mv) = 500 N und d/dt (mv) = 100 N richtig war, und die Schinderei-Kräfte den Stoß des Staustrahltriebwerks überschreiten würden. Unter jenen Bedingungen würde das Staustrahltriebwerk wahrscheinlich nur entlang der Vektor-Senkrechte zum Sonnenwind fungieren.

Zusammenhängende Erfindungen

Magnetisches Segel

Die Berechnungen (durch Robert Zubrin und einen Partner) haben die Idee von einem magnetischen Fallschirm oder Segel begeistert. Das konnte für das interstellare Reisen wichtig sein, weil es bedeutet, dass die Verlangsamung am Bestimmungsort mit einem magnetischen Fallschirm aber nicht einer Rakete durchgeführt werden kann.

Elektrostatische Ion-Schaufel

Eine mögliche Modifizierung des Staustrahltriebwerk-Designs soll eine elektrostatische Ion-Schaufel statt einer elektromagnetischen Ion-Schaufel verwenden, um die Ion-Sammlung vom Raum zu erreichen. In einer elektrostatischen Schaufel zieht ein negatives elektrisches Feld auf einem Vorwärtsbratrost elektrostatisch die positive beladene Ion-Gegenwart im interstellaren Raum an und zieht sie so in die Staustrahler. Das kann eine elektrostatische 100-%-Schaufel sein, in der ein elektromagnetisches Feld überhaupt nicht verwendet wird. Es wird keine konvergierenden elektromagnetischen Feldlinien geben, die Schinderei-Effekten durch das Schöpfen der Ionen vom interstellaren Raum potenziell erzeugen können, wenn diese reine elektrostatische Annäherung verwendet wird. Die geschöpften Ionen werden jedoch eine elektrische feldveranlasste Geschwindigkeit haben, wenn sie innerhalb des Ion-Staustrahlers gezogen werden. So lange die Geschwindigkeit des Staustrahler-Auspuffstrahles größer ist als die elektrische feldveranlasste Geschwindigkeit der eingehenden geschöpften Ionen, kann es eine Nettokraft in der Richtung auf den Flug des Staustrahltriebwerks geben, der das Raumfahrzeug beschleunigen wird.

Außerdem ist der potenzielle Nettounterschied des galaktischen elektrischen Feldes im interstellaren Raum nur 1.6×10 Volt. Der wirksame Ion-Sammlungsradius einer elektrostatischen Ion-Widder-Schaufel wird die Reihe sein, an der das ramscoop elektrische Feld einen größeren potenziellen Unterschied zum galaktischen elektrischen Feld hat. Dieser potenzielle Unterschied neigt sich proportional zu 1/d ² für die Entfernung d von der Quelle des elektrischen Feldes der Schaufel des Widders.

Vorentsamte Schussbahn

Mehrere der offensichtlichen technischen Schwierigkeiten mit dem Bussard Staustrahltriebwerk können durch den Vorstapellauf des Brennstoffs entlang der Schussbahn des Raumfahrzeugs mit etwas wie eine magnetische Schiene-Pistole überwunden werden.

Die Vorteile dieses Systems schließen ein

• Der Vorstapellauf nur des ionisierten Fusionsbrennstoffs, so dass entweder magnetische oder elektrostatische Schaufeln leichter den Brennstoff in den Motor eintrichtern können. Der Nachteil ist das wird den Brennstoff veranlassen, sich wegen der elektrostatischen Repulsion zu zerstreuen.
• Der Vorstapellauf des Brennstoffs auf einer Schussbahn, so dass der Kraftstoffgeschwindigkeitsvektor den erwarteten Geschwindigkeitsvektoren des Raumfahrzeugs an diesem Punkt in seiner Schussbahn nah vergleichen wird. Das wird die durch die Sammlung des Brennstoffs erzeugten "Schinderei"-Kräfte minimieren.
• Der Vorstapellauf von optimierten Isotop-Verhältnissen für die Fusionsmotoren auf dem Raumfahrzeug. Ein herkömmliches Staustrahltriebwerk von Bussard wird größtenteils Wasserstoff mit einem Atomgewicht 1 sammeln. Dieses Isotop ist härter durchzubrennen entweder als die Schwere Wasserstoff oder als Tritium-Isotope von Wasserstoff. Indem Sie das ideale Verhältnis von Wasserstoffisotopen für den Fusionsmotor im Raumfahrzeug starten, können Sie die Leistung des Fusionsmotors optimieren.
• Obwohl der vorlosfahrende Brennstoff für das Staustrahltriebwerk einen Vorteil des Designs von Bussard verneint (Sammlung des Brennstoffs, als es sich durch das interstellare Medium bewegt), behält es den Vorteil der nicht Notwendigkeit, die Masse des Brennstoffs und die Masse der Rakete zur gleichen Zeit zu beschleunigen.
• Der vorgestartete Brennstoff würde etwas Sichtbarkeit ins interstellare Medium - so das Alarmieren des schleifenden Raumfahrzeugs von ungesehenen Gefahren (z.B braune Zwergsterne) zur Verfügung stellen.

Die Hauptnachteile dieses Systems schließen ein:

• Das Raumfahrzeug konnte von der vorberechneten Schussbahn nicht abgehen, wenn es nicht kritisch war, so zu tun. Jede solche Abweichung würde das Raumfahrzeug von seiner Kraftstoffversorgung trennen und es mit nur einer minimalen Fähigkeit verlassen, zu seiner ursprünglichen Schussbahn zurückzukehren.
• Der vorgestartete Brennstoff für die Verlangsamung am Bestimmungsort-Stern, würde wenn nicht gestartet, viele Jahrzehnte vor dem Raumfahrzeugstart nicht verfügbar sein. Jedoch konnten andere Systeme (wie die Magnetischen Segel) für diesen Zweck verwendet werden.
• Es würde sehr schwierig sein, eine Hin- und Rückfahrt mit diesem System durchzuführen, wenn Materialien und Zeit dem Bauen eines anderen Kraftstoffstart-Mechanismus am Bestimmungsort-Stern zugeteilt werden.
• Für mehr auf Staustrahltriebwerk-Matheberechnungen sieh Das Sternflughandbuch (internationale Standardbuchnummer 0-471-61912-4).

Links

• Katalytisches Kernstaustrahltriebwerk-Papier
• Interstellares Medium
• Interstellarer Wasserstoff
• Images des Bussard Staustrahltriebwerks