(Großteils aus dem Weltenbau-Thread zum Thema kopiert)
Schlüsseltechnologien:
elektrische Hochtemperatur-Supraleiter (>138K)
Nanotechnologie – keine Nanoroboter, aber z.B. Carbonnanofasern und ähnliche Materialmanipulation
Beherrschung von Elektromagnetismus und Magnetohydrodynamik
Manipulation von topologischen Vakuumdefekten (z.B. Monopole, Q-Balls)
Energieerzeugung
Konversionsreaktoren nutzen topologische Vakuumdefekte aus, um einzelne Nukleonen aus leichten Atomkernen in Energie umzuwandeln. Elektrische Energie wird bevorzugt durch Monopolkatalysierte MHD-Generatoren erzeugt:
Protonen werden durch einen magnetischen Monopol geleitet. Dieser löst nun jedes Proton in ein Pionenpaar und ein Positron auf. Das Gros der Ruheenergie geht hierbei auf die Pionen über. Diese werden durch umliegende Magnetfelder separiert und entsprechend ihrer Ladung in massive eiserne Pole geleitet. Das Eisen absorbiert Pionen geeigneter Energiebandbreiten und baut dadurch ein Potential auf. Diese Pole können nun direkt als Stromquelle verwendet werden und liefern insgesamt ca. 100 Megavolt Spannung. Der Strom hängt dabei von der Flußrate der Pionen ab.
Die Effizienz in diesem Schritt liegt bei ca. 30%.
Daneben werden die Eisenpole, aber auch die Reaktorwände durch die restlichen Pionen aufgeheizt. Diese Wärme wird wiederum von einer Wärmekraftmaschine mit, bei Raumschiffsystemen, ca. 25% Wirkungsgrad ausgebeutet und ebenfalls in elektrischen Strom umgewandelt. Der Wirkungsgrad wurde hierbei bewusst relativ niedrig gewählt, da hier die geringstmögliche Radiatorfläche zur Bewältigung der Abwärme benötigt wird.
(Planetare Kraftwerke können in diesem Schritt ca. 60% Wirkungsgrad erzielen.)
Dadurch ergibt sich ein Gesamtwirkungsgrad von etwa 40% für Raumschiffe und über 70% für planetare Kraftwerke.
Brennstoff: Wasserstoff (kann direkt aus mitgeführtem Wasser elektrolysiert werden.)
Die verfügbare Leistung wird hierbei praktisch nur von der Kapazität der Radiatoren begrenzt, da der Brennstoffverbrauch selbst bei mehreren TW Leistung minimal wäre. Die elektrischen Systeme eines Raumschiffes dürften aber eher im Megawatt.
Abwärmemanagement:
Radiatoren sind der Flaschenhals aller Raumschiffsysteme. Die kleinstmögliche Radiatorfläche erhält man bei einer Betriebstemperatur von 75% der eigentlichen Wärmekraftmaschine. Dabei muss man jedoch bedenken, dass die Wärme dabei von der heißen zur kalten Seite transportiert werden muss, normalerweise durch Kühlmittel wie flüssiges Lithium, was die Arbeitstemperatur beider Seiten auf theoretisch maximal dessen Siedepunkt begrenzt; in der Praxis jedoch aufgrund von Materialbeschränkungen um einiges niedriger liegt.
Die modernsten Radiatoren sind als halbflexible Segel aus (schwarzen) Kohlefasern aufgebaut, die von transparenten, starren "Adern" durchzogen sind, durch welche flüssiges Lithium als Kühlmittel gepumpt wird. Das Lithium gibt seine Wärme durch Konduktion an das hochemissive Segelmaterial ab, von wo sie abgestrahlt wird. Schäden können relativ leicht geflickt werden, außerdem können die Segel bei Bedarf auch eingefahren werden.
Ältere Radiatortypen sind Paneelradiatoren (Nachteile: hohe Masse, fragil) und Tröpchenradiatoren (Nachteil: geringe Emissivität).
STL-Antrieb:
Zum gegenwärtigen Zeitpunkt sind primär zwei Antriebskonzepte in Gebrauch: Fissions- und Konversionsantriebe.
NTR/Fission:
schwere Elemente (wie Uran, Plutonium etc.) werden durch Neutronenbeschuss gespalten, dabei wird Kernbindungsenergie freigesetzt. Je nach Betriebstemperatur und Reaktorkonzept unterscheidet man Solid-, Liquid- und Gas-Core, wobei Sternenschiffe eigentlich nur noch Gas-Core verwenden. Diese wiederum gibt es als Open und Closed Systeme. Da ein Gas/Open-Antrieb seine Spaltprodukte munter mit dem Abgasstrahl rausbläst, müssen sie Sicherheitsabstand zu bewohnten Planeten halten. Gas/Closed-Systeme sind weitgehend sauber, aber auch weniger effizient und deutlich massiver.
Der bevorzugte Brennstoff ist das billige und sichere Thorium, aus welchem direkt das spaltbare Uran-233 erbrütet wird.
Konversionstriebwerke aka “Torchdrives”:
nach einem ähnlichen Prinzip wie die Stromerzeugung funktionieren auch neuartige Sublichtantriebe, nämlich per Baryonkonversion. Der Brennstoff wird durch einen Katalysator in Energie umgewandelt, mit der der Treibstoff auf enorme Geschwindigkeiten beschleunigt wird. Hier gibt es wiederum zwei Konzepte, nämlich Heavy und Light. Bei ersterem dient Thorium-232 als Brennstoff, es muss jedoch nicht in U233 umgewandelt werden. Auch wird dabei deutlich mehr Energie freigesetzt als bei der herkömmlichen Fission, allerdings entstehen auch mehr freie Neutronen. Strukturell ähnelt dieser Antriebstyp einem Gas/Open Triebwerk.
Beim noch moderneren Light-Konzept werden ähnlich wie bei der Stromerzeugung Wasserstoffkerne, also Protonen umgewandelt. Die dabei entstehenden geladenen subatomaren Partkel werden durch Magnetfelder eingefangen, und mit ihrer Hilfe zusätzlich eingespritzter Treibstoff aufgeheizt und beschleunigt. Neutrale Strahlung entsteht nur in Form von harmlosen Neutrinos. Dieses Antriebskonzept verspricht hohe Leistung aus billigsten Brennstoff bei minimalen schädlichen Nebenprodukten, jedoch ist die Konstruktion komplizierter und der Bedarf an Katalysatorpartikeln hoch. Dadurch sind diese Antriebe in der Anschaffung am teuersten.
Für alle modernen Antriebe gilt:
Die Moleküle werden enorm beschleunigt und, da kein Material ihrer Temperatur standhalten könnte, durch magnetische Manipulation aus der Antriebsdüse ausgestoßen. Die Menge der Treibstoffzugabe lässt sich variieren, dabei erhöht sich der Treibstoffdurchsatz zum Quadrat der Schubsteigerung.
Die Stützmasse wird durch magnetische Düsen in den gewünschten Vektor gelenkt. Dabei ist eine Schubvektorsteuerung bis ca. 20° möglich; je nach Schiffsdesign kann auch das ganze Triebwerk geschwenkt werden. Ferner wird der Abgasstrahl auch um etwa 10-20° aufgefächert, um den notwendigen Sicherheitsabstand zu anderen Objekten möglichst klein zu halten. Der effektive Schub verringert sich hierdurch um wenige Prozent (vernachlässigbar).
Die Triebwerke erzeugen zwar eine prozentual sehr geringe Abwärme (in andere Richtungen als den Schubvektor), da sie als offener Kühlkreislauf funktionieren, jedoch sind aufgrund der enormen Gesamtleistung selbst winzige Verluste schwer in den Griff zu kriegen. Weiterhin wächst der benötigte Durchmesser nur zur Wurzel der Leistung, was bedeutet, dass prinzipiell wenige große Triebwerke günstiger sind als viele kleine.
Die Triebwerke und Reaktoren können zwar prinzipiell mit verschiedenen Treibstoffen betrieben werden, in der Praxis ist jedoch Wasser ("Normal") oder Wasserstoffperoxid ("Super") das Mittel der Wahl. [Für Späteinsteiger: man beachte den Unterschied zwischen Brennstoff und Treibstoff.] Peroxid ist relativ einfach zu handhaben, kann mit geringem Aufwand in flüssigem Zustand gehalten werden, und besitzt mit ca. 1,5g/cm³ eine relativ hohe Dichte. Letzteres ist der Grund, warum es zuweilen trotz der höheren Kosten gegenüber Wasser bevorzugt wird, da mit dem selben Tankvolumen 50% mehr Treibstoff mitgeführt werden kann.
Der für das Stromaggregat benötigte Wasserstoff wird durch Elektrolyse aus Wasser erzeugt. Für einen Reaktor mit beispielsweise 500MW Nutzleistung werden ca. 50mg/h benötigt, was schon mit 1,34A erreicht werden kann.
Fluglagesteuerung:
Kombination aus Gyroskopen, Magnettorquern und Manövrierdüsen. Letztere werden aufgrund ihres Treibstoffbedarfs vornehmlich in zeitkritischen Situationen eingesetzt. Ein typisches Raumschiff verfügt dabei über etwa 12 fixe Manövrierdüsen (oder eine kleinere Anzahl schwenkbarer Düsen) und eine Anzahl kleinerer Gyroskope, die eine präzise Steuerung um drei Rotations- und drei Translationsachsen ermöglichen.
Die Manövriertriebwerke sind dabei auf hohen Schub bei kompakter Bauweise ausgelegt, was sich dafür in relativ hohem Massedurchsatz niederschlägt.
Waffensysteme:
Vorherrschend sind EM-Strahlenwaffen basierend auf dem FEL-Prinzip, im Volksmund “Laser” genannt. Wellenlänge, Leistung und Bündelung hängen dabei von der Baugröße ab. Es existieren hauptsächlich kleinere Ausführungen als Point-Defense Systeme zur Abwehr von Impaktoren und später Lenkraketen.
Große Laser, die auch auf weite Distanzen zielgenau und potent sein sollen, benötigen sehr große Reflektoren, die ihrerseits leichte Ziele für den Gegner sind. Verschiedene Gegenmaßnahmen (s.o.).
Aufgrund diverser technischer Faktoren wie z.B. maximale Belastbarkeit der Reflektoren (ca 5MW/cm²) und Platzbedarf für Aktuator (Frequenz) und Apertur/Reflektor, sind mobile Laser im Wesentlichen auf ca. 400nm Wellenlänge und Leistungen im Bereich bis ca. 100MW beschränkt.
FEL besitzen einen Wirkungsgrad von etwa 65%, für 100MW Strahlleistung fallen also etwa 50MW Abwärme an. Aus taktischen Erwägungen besitzen Schiffslaser oft einen offenen Kühlkreislauf mit einem billigen Kühlmittel (z.B. Wasser), welches bei Erreichen der Kapazitätsgrenze einfach ausgestoßen wird.
Massebeschleuniger: Rail- oder Coilguns variabler Größe, die massive (d.h. nicht explosive) Projektile mit möglichst hoher Geschwindigkeit auf das Ziel schleudern. Relativ geringe Reichweite; im Einzelschuss wenig effektiv, bei Schnellfeuer aber hochgefährlich ("Sandstrahler").
Raketen: größtmögliches Schadenspotential, aber anfällig gegen Abwehrlaser. Normalerweise ohne eigenen Sprengkopf, reine Wuchtgeschosse.
Schiffsdesign et al:
Man kann das Design moderner Raumschiffe nicht verallgemeinern, abgesehen davon, dass natürlich alle essentiellen Komponenten ihren Platz finden müssen: Triebwerk, Tanks, Habitat, um nur einige wenige zu nennen.
Darüber hinaus verfügen die meisten Schiffe über einen spitz zulaufenden Bug, um durch die resultierenden schrägen Flächen einen gewissen Schutz vor Mikrometeoriten zu bieten. Der Querschnitt des Bugsegments ist in der Regel so dimensioniert, dass die meisten Schiffskomponenten in seinem “Windschatten” Platz finden.
Die Frontsektion ist derart gepanzert, dass sie einem Impakt mit mindestens der halben für das Schiff üblichen Delta-V standhalten kann (die Delta-V richtet sich nach Antriebsleistung und Masseverhältnis). Alle anderen Seiten sind kaum gepanzert, können jedoch Treffer mit bis zu ca. 20km/s relativ gut wegstecken, d.h. die durch kleine Projektile angerichteten Schäden sind leicht reparabel.
FTL:
Die "Regeln" für Überlichtreisen sind wie folgt:
* man benötigt einen speziellen Sprungantrieb, dessen maximale Reichweite pro Sprung begrenzt ist.
* der Startpunkt eines Sprungs ist beliebig, der Endpunkt jedoch ist fest, jeweils einige AU ober- oder unterhalb des Zielsterns, senkrecht zur Ekliptik. Die genaue Distanz ist proportional zur Masse des Sterns.
* Knackpunkt: zur Einleitung eines Sprungs muss das Schiff relativ zum Zielstern _stillstehen_. Da sich die meisten Sterne mit etwa 20-30km/s auseinanderbewegen, muss vor dem Sprung erst der entsprechende Vektor aufgebaut werden. Dies kostet natürlich Treibstoff und Zeit.
* der Sprung selbst dauert einige Tage, auch wenn er für die Besatzung wesentlich kürzer erscheint. Auch muss zwischen zwei Sprüngen eine gewisse Abkühl- und Aufladezeit liegen.
* Man kann nur zwischen zwei Sternen springen. Sprünge innerhalb eines Systems sind unmöglich.
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